DE10032029A1 - Process used for analyzing products comprises generating a universal factor set from a number of materials, acquiring actual spectra, and determining and using the optimum universal factors for analyzing materials - Google Patents

Process used for analyzing products comprises generating a universal factor set from a number of materials, acquiring actual spectra, and determining and using the optimum universal factors for analyzing materials

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Abstract

Process for evaluating spectra from a spectrometer used for investigating solid, liquid and gaseous materials comprises generating a universal factor set from a number of materials absorbing light, the factors being obtained using a known chemometric method; acquiring actual spectra; determining the optimum universal factors for differentiating the materials to be investigated; and using these optimum factors for determining the materials to be investigated, where the selection of the factors is automatically carried out.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

Die NIR-Technologie hat sich in vielen Bereichen der analytischen Chemie etabliert. Sie wurde in den vergangenen zwanzig Jahren intensiv eingesetzt um Stoffe wie Erzeugnisse der Lebensmittelindustrie und der Futtermittelindustrie, Produkte der petrochemischen Industrie, Pharmazeutika oder nir-aktive Umweltgifte zu analysieren.NIR technology has established itself in many areas of analytical chemistry. She was in over the past twenty years have been intensively involved in substances such as products from the Food and feed industries, petrochemical products, Analyze pharmaceuticals or non-active environmental toxins.

Die Vorteile der NIR-Technologie sind allerdings erst dann von Nutzen, wenn man die überlappenden breiten Banden, die in den Spektren zu beobachten sind, interpretieren kann. Dafür benötigt man die Verfahren der multivariaten Statistik. Mit ihnen werden Modelle erstellt, mit denen eine Auswertung NIR-spektroskopischer Daten möglich ist. Das Erstellen solcher Kalibrationsmodelle ist in der Regel ein sehr komplexer Vorgang. Bereits die optimale Auswahl der Faktoren, die für eine Erkennungsaufgabe relevant sind, ist ein umfangreiches Spezialgebiet der Wissenschaft, wie beispielsweise in Verdú-Andres, J. / Massart, D. L. Comparison of Prediction- and Correlation-Based Methods to Select the Best Subset of Principal Component Regression and Detect Outlying Objects. Applied Spectroscopy, Bd. 52, Nr. 11, 1998, S. 1425 beschrieben.However, the advantages of NIR technology are only useful if you have the overlapping broad bands that can be observed in the spectra. Therefore you need the methods of multivariate statistics. They are used to create models, with which can be used to evaluate NIR spectroscopic data. Creating such Calibration models are usually a very complex process. The optimal selection of the Factors that are relevant for a recognition task is an extensive area of specialization Science, such as in Verdú-Andres, J. / Massart, D.L. Comparison of Prediction- and Correlation-Based Methods to Select the Best Subset of Principal Component Regression and Detect Outlying Objects. Applied Spectroscopy, Vol. 52, No. 11, 1998, p. 1425.

Aufgrund dieser Komplexität ist die Vorgehensweise beim Erstellen der Kalibrationsmodelle wie folgt (vgl. hierzu den linken Teil von Fig. 1): Anhand von ausgewählten Stoffspektren, den so genannten Kalibrationsdaten, wird von geschulten Experten ein Modell gebildet, das die Basis des Auswertesystems bildet, mit dem eine Sortierungsaufgabe gelöst werden soll. Dieses Vorgehen ist den Produkten aller großen Anbieter in diesem Bereich zu eigen. Auch in der Wissenschaft kommt dieser Modellbildung eine große Bedeutung zu: Zumeist wird auch hier beschrieben, wie für einen gegebenen Anwendungsfall ein Modell gebildet wird (vgl. beispielhaft Espinoza, L. H. / Lucas, D. / Littlejohn, D. / Kyauk, S. Total Organic Carbon Content in Aqueous Samples Determined by Near- IR Spectroscopy. Applied Spectroscopy, Bd. 53, Nr. 1, 1999, S. 103). Teilweise finden sich darüber hinaus allgemein gehaltene Vorschläge zu einer Vereinfachung der Modellbildung (vgl. Swierenga, H. / de Weijer, A. P. / von Wijk, R. J. / Buydens, L. M. C. Strategy for Constructing Robust Multivariate Calibration Models. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, Bd. 49, 1999, S. 1-17), teils konkrete Versuche der ansatzweisen Standardisierung der Modellbildung, wie zum Beispiel im so genannten Heisenberg-Modell (vgl. Höskuldsson, A. The Heisenberg Modelling Procedure and Application to Nonlinear Modelling. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, Bd. 44, 1998, S. 15-30). Zusätzlich richten sich viele wissenschaftliche Ansätze darauf, neue Methoden zu entwickeln, um die Eigenschaften von Modellen, wie z. B. ihre Robustheit, zu verbessern (vgl. Conlin, A. K. / Martin, E. B. / Morris, A. J. Data Augmentation: An Alternative Approach to the Analysis of Spectroscopic Data. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, Bd. 44, 1998, S. 161-173).Due to this complexity, the procedure for creating the calibration models is as follows (cf. the left part of Fig. 1): Using selected substance spectra, the so-called calibration data, trained experts create a model that forms the basis of the evaluation system, with which a sorting task is to be solved. This procedure is common to the products of all major suppliers in this area. This model formation is also of great importance in science: Most of the time it is described here how a model is created for a given application (see e.g. Espinoza, LH / Lucas, D. / Littlejohn, D. / Kyauk, S. Total Organic Carbon Content in Aqueous Samples Determined by Near-IR Spectroscopy. Applied Spectroscopy, Vol. 53, No. 1, 1999, p. 103). In some cases, there are also general suggestions for simplifying model building (see Swierenga, H. / de Weijer, AP / von Wijk, RJ / Buydens, LMC Strategy for Constructing Robust Multivariate Calibration Models. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, Vol. 49, 1999, pp. 1-17), some concrete attempts at standardizing model formation, e.g. in the so-called Heisenberg model (see Höskuldsson, A. The Heisenberg Modeling Procedure and Application to Nonlinear Modeling.Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, Vol. 44, 1998, pp. 15-30). In addition, many scientific approaches are aimed at developing new methods to assess the properties of models such as B. to improve their robustness (see Conlin, AK / Martin, EB / Morris, AJ Data Augmentation: An Alternative Approach to the Analysis of Spectroscopic Data. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, Vol. 44, 1998, pp. 161- 173).

Ein weiterer Schwerpunkt der Wissenschaft liegt darauf, bereits erstellte Modelle, die in der Praxis meist mit zu wenig Daten erstellt werden, zu erweitern (vgl. Candolfi, A. / Massart, D. L. Model Updating for the Identification of NIR Spectra from a Pharmaceutical Excipient. Applied Spectroscopy, Bd. 54, Nr. 1, 2000, S. 48) oder von einem Spektrometer auf ein anderes zu übertragen (vgl. Anderson, C. E. / Kalivas, J. H. Fundamentals of Calibration Transfer through Procrustes Analysis. Applied Spectroscopy, Bd. 53, Nr. 10, 1999, S. 1268). Beide letztgenannten Ansätze zielen dabei darauf, das aufwändige Erstellen eines neuen Auswertemodells zu umgehen.Another focus of science is on already created models that are in practice mostly with too little data to expand (see Candolfi, A. / Massart, D.L. Model Updating for the Identification of NIR Spectra from a Pharmaceutical Excipient. Applied Spectroscopy, Vol. 54, No. 1, 2000, p. 48) or from one spectrometer to another  (see Anderson, C.E. / Kalivas, J.H. Fundamentals of Calibration Transfer through Procrustes Analysis. Applied Spectroscopy, Vol. 53, No. 10, 1999, p. 1268). Both of the latter Approaches are aimed at avoiding the time-consuming creation of a new evaluation model.

Daneben gibt es die so genannten Bibliothekssuchverfahren (vgl. Otto, M. Chemometrie. Weinheim: Wiley-VCH, 1997). Bei diesen wird ein vorliegendes Stoffspektrum in Vergleich zu den Daten in einer Referenzdatenbank gesetzt. Hierfür werden verschiedene Algorithmen verwendet, die die ähnlichsten Stoffe der Referenzdatenbank als Ergebnis liefern.There are also so-called library search methods (see Otto, M. Chemometrie. Weinheim: Wiley-VCH, 1997). These are compared to the existing spectrum of substances Data set in a reference database. Different algorithms are used for this, which provide the most similar substances in the reference database as a result.

Eine Automatisierung bei der Erstellung von Vorhersagemodellen wurde bislang durch den Einsatz Neuronaler Netze in Teilen erreicht. Die Netze errechnen selbstständig einen Zusammenhang zwischen den Spektren als Eingangsdaten und Eigenschaften der Spektren als Ausgangsdaten. Neben den so genannten backpropagierenden Perzeptron-Netzen, wie beispielsweise in Laufens, P. Computergestützte Auswertung von Infrarotspektren zur Kunststoffidentifizierung unter Verwendung eines neuronalen Netzes, MARECK-Kolloquium, Aachen, Germany, February 1997 beschrieben, sind vor allem jene Netze zu nennen, die den FuzzyARTMAP-Algorithmus verwenden (vgl. z. B. Feldhoff, R. / Wienke, D. / Cammann, K. and Fuchs, H. On-Line Post Consumer Package Identification by NIR Spectroscopy Combined with a FuzzyARTMAP Classifier in an Industrial Environment. Applied Spectroscopy, Bd. 51, Nr. 3, 1997, S. 362-368).An automation in the creation of prediction models has so far been used Neural networks partially reached. The networks independently calculate a connection between the spectra as input data and properties of the spectra as output data. In addition to the so-called back-propagating perceptron networks, such as in Laufens, P. Computer-aided evaluation of infrared spectra for plastic identification under Use of a neural network, MARECK colloquium, Aachen, Germany, February 1997 those networks that use the FuzzyARTMAP algorithm should be mentioned (see e.g. Feldhoff, R. / Wienke, D. / Cammann, K. and Fuchs, H. On-Line Post Consumer Package Identification by NIR Spectroscopy Combined with a FuzzyARTMAP Classifier in an Industrial Environment. Applied Spectroscopy, Vol. 51, No. 3, 1997, pp. 362-368).

Darüber hinaus zielt auch die Software LOCAL der Firma FOSS NirSystems in dieselbe Richtung. Sie basiert auf dem Verfahren der so genannten lokalen Kalibration, wie in Aastveit, A. H. / Marum, P. Near-Infrared Reflectance Spectroscopy: Different Strategies for Local Calibrations in Analyses of Forage Quality. Applied Spectroscopy, Bd. 47, Nr. 4, 1993, S. 463 beschrieben: Für einen Anwendungsfall wird aus einer Datenbank eine zu bestimmende Anzahl von Spektren, die denen des Anwendungsfalls am nächsten liegen, ausgesucht. Mit diesen wird dann ein Vorhersagemodell errechnet. Im Fall der Software LOCAL ist dieses Vorgehen so verallgemeinert, dass der Anwender nicht in die Berechnung eines Vorhersagemodells eingreifen muss (vgl. www.foss­ nirsystems.com/SpecSheets/WinISI.htm).In addition, the LOCAL software from FOSS NirSystems is aimed in the same direction. It is based on the so-called local calibration method, as described in Aastveit, A. H. / Marum, P. Near-Infrared Reflectance Spectroscopy: Different Strategies for Local Calibrations in Analyzes of Forage Quality. Applied Spectroscopy, Vol. 47, No. 4, 1993, p. 463: For one Use case turns a database into a number of spectra that can be determined are closest to the application. These then become a prediction model calculated. In the case of the LOCAL software, this procedure is generalized so that the user does not have to intervene in the calculation of a prediction model (see www.foss nirsystems.com/SpecSheets/WinISI.htm).

In der Offenlegungsschrift DE 198 10 917 A1 wird ein weiterer Ansatz für die Automatisierung des Kalibrationsverfahrens in Verbindung mit Spektren eines Spektrometers präsentiert. Hierbei werden die Randbedingungen des eigentlichen Auswerteverfahrens automatisch festgelegt.A further approach for the automation of the Calibration procedure in connection with spectra of a spectrometer presented. Here are the boundary conditions of the actual evaluation process are automatically determined.

Alle die vorher aufgezählten Verfahren haben den entscheidenden Nachteil, dass sie entweder für jeden neuen Anwendungsfall oder aber nur für sich stark unterscheidende Anwendungsfälle auf einen geschulten Anwender angewiesen sind, der sie an den Anwendungsfall anpasst. Dies lässt sie zeit- und kostenintensiv werden.All of the methods listed above have the major disadvantage that they are either for each new use case or only for very different use cases instructed a trained user who adapts them to the application. This leaves them become time and cost intensive.

Die Regel bei den angewendeten Auswerteverfahren ist, dass für einen Anwendungsfall ein Modell für die Vorhersage von Spektren berechnet wird. Diese Berechnungen müssen von Experten begleitet werden, da verschiedene Randparameter, wie eine etwaige Datenvorbehandlung oder die Anzahl zu verwendender Faktoren, intuitiv ermittelt werden müssen.The rule in the evaluation methods used is that a model for an application is calculated for the prediction of spectra. These calculations must be done by experts are accompanied, since various boundary parameters, such as a possible data preparation or the Number of factors to be used, must be determined intuitively.

Die Bibliothekssuchverfahren, die ohne eine solche Modellbildung auskommen, sind darauf angewiesen, dass eine für den vorliegenden Anwendungsfall passende Datenbank vorliegt und sind bei häufig wechselnden Anwendungsbereichen daher unflexibel. Darüber hinaus können sich genannte Verfahren nicht selbstständig auf Störungen, die sich im Datenmaterial niederschlagen, einstellen und sind somit geräteabhängig. Bibliothekssuchverfahren sind somit starr oder müssen durch eine Vorbehandlung der Daten und damit durch einen Eingriff von Seiten des geschulten Anwenders auf störende Einflüsse angepasst werden.The library search procedures that do not require such a model are on it instructed that there is and is a suitable database for the present application therefore inflexible in frequently changing areas of application. In addition, you can the above-mentioned method does not independently respond to faults that are reflected in the data material, and are therefore device-dependent. Library search procedures are therefore rigid or must by pretreating the data and thus by an intervention on the part of the trained Be adjusted to disruptive influences.

Neuronalen Netze automatisieren den Prozess der Modellbildung zumindest teilweise, haben jedoch das Problem der aufwändigen Datenvorbehandlung. Für die Perzeptron-Netze ist es beispielsweise sinnvoll, die Spektrendaten einer Faktoranalyse zu unterziehen, bevor sie dem Netz präsentiert werden (vgl. beispielsweise Laufens, P. Computergestützte Auswertung von Infrarotspektren zur Kunststoffidentifizierung unter Verwendung eines neuronalen Netzes, MARECK-Kolloquium, Aachen, Germany, February 1997). Damit übernimmt das Netz aber nur einen Teil der Modellbildung, nämlich die Gruppierung der Stoffe in einem Faktorraum, der zuvor gebildet werden muss. Alternativ können Spektrendaten auch direkt dem Netz präsentiert werden. Im Sinne eines guten Ergebnisses empfehlen sich dabei aber eine Reihe von Datenvorbehandlungen wie die Auswahl von für den Anwendungsfall besonders typischen Wellenlängen oder das einfache bzw. zweifache Differenzieren der Spektrendaten. Darüber hinaus müssen das Netz initialisiert und die Architektur des Netzes, die Anzahl der Knoten und Schichten, auf den Anwendungsfall abgestimmt werden.Neural networks at least partially automate the process of modeling, but have the problem of complex data preparation. For the perceptron networks, for example it makes sense to subject the spectra data to a factor analysis before presenting it to the network (see, for example, Laufens, P. Computer-aided evaluation of infrared spectra for Plastic identification using a neural network, MARECK colloquium, Aachen, Germany, February 1997). However, the network only takes over part of the Modeling, namely the grouping of substances in a factor space that was previously formed must become. Alternatively, spectra data can also be presented directly to the network. For the purpose of  For a good result, a number of data pretreatments such as that are recommended Selection of wavelengths that are particularly typical for the application or simple or differentiate the spectra data twice. In addition, the network must be initialized and the Architecture of the network, the number of nodes and layers, tailored to the application become.

Der Fuzzy-ARTMAP-Algorithmus ist für gute Ergebnisse ebenfalls auf eine geeignete Datenvorbehandlung angewiesen (vgl. Wienke, D. / von den Broek, W. / et al. Adaptive Resonance Theory Based Neural Network for Supervised Chemical Pattern Recognition (Fuzzy ARTMAP). Chemometric & Intelligent Laboratory Systems, Bd. 32, 1996, S. 165-176). Des weiteren müssen Netzparameter ("initialisation, sizes of learning rates and vigilance parameters" vgl. Wienke, D. / van den Broek, W. / et al. Adaptive Resonance Theory Based Neural Network for Supervised Chemical Pattern Recognition (Fuzzy ARTMAP). Chemometric & Intelligent Laboratory Systems, Bd. 32, 1996, S. 165-176) für den Anwendungsfall angepasst werden.The fuzzy ARTMAP algorithm is also suitable for good results Data preparation instructed (see Wienke, D. / von den Broek, W. / et al. Adaptive Resonance Theory Based Neural Network for Supervised Chemical Pattern Recognition (Fuzzy ARTMAP). Chemometric & Intelligent Laboratory Systems, Vol. 32, 1996, pp. 165-176). Furthermore must Network parameters ("initialization, sizes of learning rates and vigilance parameters" see Wienke, D. / van den Broek, W. / et al. Adaptive Resonance Theory Based Neural Network for Supervised Chemical Pattern Recognition (Fuzzy ARTMAP). Chemometric & Intelligent Laboratory Systems, Vol. 32, 1996, pp. 165-176) for the application.

Die sehr guten Ergebnisse, die sich gerade mit Neuronalen Netzen, die den Fuzzy-ARTMAP- Algorithmus verwenden, bei der Sortierung nir-aktiver Stoffe erzielen lassen, sind demnach ebenfalls bei der Modellbildung auf einen aufwändigen Eingriff seitens des Anwenders angewiesen. Für eine möglichst gute Vorhersage mit Hilfe von lokalen Kalibrationen werden möglichst große Spektrendatenbanken gefordert (vgl. Sinnaeve, G. / Dardenne, P. / Agneessens, R. Global or Local? A Choice for NIR Calibrations in Analyses of Forage Quality. Journal of Near Infrared Spectroscopy, Bd. 2, 1994, S. 163-175). Will man mit dieser Methode eine Allgemeingültigkeit erreichen, d. h. beliebige nir-aktive Stoffe sortieren können, muss die Spektrendatenbank eine Vielzahl verschiedener Stoffe umfassen. Es ist daher für einen Anwender dieses Verfahrens notwendig, eine sehr große Datenbank an sein System angeschlossen zu haben. Des weiteren benötigen lokale Kalibrationen einen hohen Rechenaufwand, da alle Spektren in der Datenbank mit dem Anwendungsfall verglichen werden müssen.The very good results that can be seen especially with neural networks that use the fuzzy ARTMAP Accordingly, using an algorithm to achieve the sorting of non-active substances are also relies on complex intervention on the part of the user when building the model. For the best possible prediction with the help of local calibrations, the largest possible Spectra databases required (see Sinnaeve, G. / Dardenne, P. / Agneessens, R. Global or Local? A Choice for NIR Calibrations in Analyzes of Forage Quality. Journal of Near Infrared Spectroscopy, Vol. 2, 1994, pp. 163-175). If you want general validity with this method achieve, d. H. the spectra database must be able to sort any non-active substances Include a variety of different substances. It is therefore for a user of this method necessary to have a very large database connected to his system. Furthermore local calibrations require a lot of computation, since all spectra are in the database the use case must be compared.

Die Erfindung aus der Offenlegungsschrift DE 198 10 917 A1 ist darauf angewiesen, dass die Spektrendaten, anhand derer es eine automatische Kalibration vornimmt, Informationen für die Kalibration enthält wie beispielsweise die Anzahl der Messvorgänge, Eigenschaftswerte oder Instrumentendaten. Es ist demnach nicht möglich, die Kalibration anhand von Spektren, wie sie von einem Gerät generiert werden, automatisch durchzuführen. Des weiteren müssen die primären Faktoren immer wieder aufs Neue aus den Spektren von zu untersuchenden Stoffen berechnet werden.The invention from the published patent application DE 198 10 917 A1 is dependent on the fact that the Spectral data, on the basis of which it carries out an automatic calibration, information for the Calibration contains, for example, the number of measuring processes, property values or Instrument data. It is therefore not possible to calibrate using spectra as provided by a device can be generated automatically. Furthermore, the primary Factors again and again calculated from the spectra of substances to be examined become.

Der Zeit- und Kostenaufwand der durch die aufwändige Kalibrationsarbeit bei den bisherigen Verfahren entsteht führt dazu, dass sich der Einsatz der NIR-Spektroskopie in der Regel erst für große gleich bleibende Stoffströme lohnt.The time and cost involved in the elaborate calibration work with the previous ones As a result of the process being created, the use of NIR spectroscopy is usually only for large, constant material flows are worthwhile.

Die am Beispiel der NIR-Spektroskopie detailliert beschriebene Problematik gilt für alle spektroskopischen Verfahren, die mit der Absorption elektromagnetischer Strahlung arbeiten.The problem described in detail using the example of NIR spectroscopy applies to everyone spectroscopic methods that work with the absorption of electromagnetic radiation.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Verwendung der Spektroskopie und insbesondere der NIR- Spektroskopie für die Sortierung von Stoffen, die die jeweils verwendete elektromagnetische Strahlung absorbieren, so stark zu vereinfachen, dass sie nicht mehr auf das Fachwissen des Anwenders angewiesen ist. Das Erstellen der Modelle für die Vorhersage von Stoffen anhand ihrer Spektren soll automatisiert werden. Es soll dabei genügen, die Spektren der Stoffe, die von dem Auswertesystem zu sortieren sind, dem System in einem Kalibrationsschritt zu präsentieren. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Das Verfahren hat den Namen "IntellIdent".The object of the invention is to use spectroscopy and in particular NIR Spectroscopy for sorting substances that use the electromagnetic used Absorb radiation to simplify so much that it no longer relies on the expertise of the User is instructed. Creating models for predicting substances based on their Spectra should be automated. The spectra of the substances produced by the Evaluation system are to be sorted, presented to the system in a calibration step. This object is achieved by a method with the features from claim 1. The procedure has the name "IntellIdent".

Bei der Verwendung dieses Verfahrens entfällt der kosten- und zeitintensive Schritt der Modellbildung durch Experten (vgl. hierzu den rechten Teil von Fig. 1). Das Auswertesystem selbst führt diesen Schritt durch, es benötigt dafür lediglich ausgewählte Spektren der Stoffe, die es zu bestimmen gilt. Dadurch wird der Einsatz der Spektroskopie für die Sortierung von Stoffen stark flexibilisiert, da ein einmal vorhandenes Gerät nahezu ohne zusätzlichen Aufwand beliebig viele Sortierungsaufgaben aus dem Bereich der die verwendete elektromagnetische Strahlung absorbierenden Stoffe lösen kann. Die Anschaffung eines Spektrometers muss sich damit nicht bei einem Anwendungsfall rechnen sondern kann auf verschieden Anwendungsfälle umgelegt werden. Die Messung von Spektren wird von dem jeweiligen Spektrometer beeinflusst. Eine auf einem Gerät erstellte Kalibration kann daher nicht unverändert auf ein anderes Gerät übertragen werden. Da bei dieser Erfindung die Kalibration des Auswertesystems vollständig automatisiert ist, kann sie ohne Zeit- und Kostenaufwand mit jedem Spektrometer erneut durchgeführt werden. Dadurch werden die Einflüsse des Geräts mitberücksichtigt. Die aufwändige Übertragung einer Kalibration von einem Gerät auf ein anderes entfällt.When using this method, the costly and time-consuming step of modeling by experts is omitted (cf. the right part of FIG. 1). The evaluation system itself carries out this step, it only requires selected spectra of the substances to be determined. This makes the use of spectroscopy for the sorting of substances highly flexible, since an existing device can solve any number of sorting tasks from the area of the electromagnetic radiation absorbing substances with almost no additional effort. The purchase of a spectrometer does not have to pay off in one application, but can be applied to different applications. The measurement of spectra is influenced by the respective spectrometer. A calibration created on one device can therefore not be transferred unchanged to another device. Since the calibration of the evaluation system is fully automated in this invention, it can be carried out again with any spectrometer without time and expense. This also takes the influences of the device into account. The time-consuming transfer of a calibration from one device to another is no longer necessary.

Das Gleiche gilt auch für die Erweiterung einer Kalibration. Sie kann somit ebenfalls in kurzer Zeit und ohne Fachwissen durchgeführt werden, der Aufwand dabei wird von der Erfindung minimiert. Es ist weiterhin von Vorteil, die Erfindung in Zusammenhang mit den seit kurzem am Markt erhältlichen mobilen Spektrometern einzusetzen. Die Erfindung ermöglicht den mobilen Spektrometern sich vor Ort in kurzer Zeit zu kalibrieren und damit für die Sortierung von Stoffen bereit zu sein. Dadurch wird der sofortige Einsatz dieser Technik vor Ort ermöglicht. The same applies to the expansion of a calibration. It can also be done in a short time and carried out without specialist knowledge, the effort involved is minimized by the invention. It is also advantageous to have the invention in connection with the recently on the market available mobile spectrometers. The invention enables the mobile Spectrometers can be calibrated on site in a short time and thus for the sorting of substances to be ready. This enables the immediate use of this technology on site.  

1. Beschreibung1. Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung spektralanalytischer Daten. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf schematische Darstellungen näher beschrieben: Es zeigen:The invention relates to a method for evaluating spectral analytical data. The invention is described in more detail below with reference to schematic representations:

Fig. 2 Schematische Darstellung einer möglichen Messvorrichtung, Fig. 2 shows a schematic representation of a possible measuring device,

Fig. 3 Schematische Darstellung des erfindungsgemässen Auswertesystems, Fig. 3 Schematic representation of the inventive evaluation system,

Fig. 13 Schematische Darstellung der Andrassy-Selektivität, Fig. 13 Schematic representation of the Andrassy selectivity,

Fig. 16 Schematische Darstellung der Faktorauswahl, Fig. 16 Schematic representation of the selection factor,

Fig. 18 Schematische Darstellung der Bestimmung der vier Erstfaktoren, Fig. 18 Schematic representation of the determination of the four Erstfaktoren,

Fig. 20 Schematische Darstellung der Bestimmung des optimalen Faktortripels, Fig. 20 shows a schematic representation of the determination of the optimum Faktortripels,

Fig. 22 Schematische Darstellung der Auswertung zu bestimmender Stoffe. Fig. 22 Schematic representation of the evaluation of substances to be determined.

In Fig. 2 wird eine mögliche Messanordnung dargestellt. Die Proben werden von einer einen Detektor enthaltenden Messsonde erfasst. Ein Spektrometer nimmt die Daten auf und leitet sie an einen Rechner weiter. Dort wird die erFndungsgemässe Verarbeitung der Daten vorgenommen.A possible measuring arrangement is shown in FIG . The samples are recorded by a measuring probe containing a detector. A spectrometer records the data and forwards it to a computer. The processing of the data in accordance with the invention is carried out there.

Das Auswertesystem IntellIdent, das im Rahmen der Erfindung entwickelt wurde, kann grob in drei Teilbereiche unterteilt werden (vgl. für eine schematische Gesamtdarstellung des Systems Fig. 3):
The IntellIdent evaluation system, which was developed within the scope of the invention, can be roughly divided into three sub-areas (cf. for a schematic overall representation of the system, FIG. 3):

  • - Die an sich bekannte Faktoranalyse, die die Faktorzerlegung der Referenzdaten und die Berechnung der Faktorgewichte von Kalibrationsspektren bzw. zu bestimmenden Spektren umfasst.- The well-known factor analysis, the factorization of the reference data and the Calculation of the factor weights of calibration spectra or spectra to be determined includes.
  • - Die Berechnung der optimalen Faktorkonfiguration für eine vorliegende Erkennungsproblematik.- The calculation of the optimal factor configuration for a given one Recognition problems.
  • - Die Auswertung von zu bestimmenden Spektren.- The evaluation of spectra to be determined.

Die Funktionsweise ist die folgende: Die Referenzspektren, die Spektren einer möglichst großen Zahl von Stoffen, werden in einem ersten Schritt einer Faktorzerlegung, u. a. veröffentlicht in Martens, H. / Naes, T. Multivariate Calibration. Chichester: John Eiley & Sons, 1989, unterzogen. Idealerweise sind die daraus resultierenden Faktoren universal, das heißt für alle Anwendungsfälle geeignet. Der von den Faktoren aufgespannte universale Faktorraum muss demnach nur ein einziges Mal berechnet werden und ist danach fester Bestandteil des Systems.The mode of operation is as follows: the reference spectra, the spectra of the largest possible Number of substances, in a first step of factorization, u. a. Published in Martens, H. / Naes, T. Multivariate Calibration. Chichester: John Eiley & Sons, 1989. Ideally, the resulting factors are universal, that is, for all applications suitable. The universal factor space spanned by the factors therefore only needs to be one calculated once and is then an integral part of the system.

Sollen Stoffe in der Folge sortiert werden, muss das System zunächst auf diese Stoffe kalibriert werden. Hierfür müssen ihm die so genannten Kalibrationsspektren, also repräsentative Spektren der Stoffe, die von Intellldent unterschieden werden sollen, bereitgestellt werden. Diese werden in den universalen Faktorraum projiziert: Ihre Faktorgewichte werden bezüglich der universalen Faktoren bestimmt. Das System trifft dann anhand dieser Faktorgewichte eine Faktorauswahl: es berechnet, mit welchen drei der universalen Faktoren die größte Trennschärfe bei der Unterscheidung der zu bestimmenden Stoffe erreicht werden kann.If substances are to be sorted subsequently, the system must first be calibrated for these substances become. To do this, he needs the so-called calibration spectra, i.e. representative spectra of the substances to be distinguished from Intellldent. These are in The universal factor space is projected: Your factor weights are related to the universal Factors determined. The system then makes a factor selection based on these factor weights: it calculates with which three of the universal factors the greatest selectivity in the Differentiation of the substances to be determined can be achieved.

Nach der Kalibration werden unbekannte, zu bestimmende Spektren mit der in der Kalibration ermittelten optimalen Faktorkonfiguration ausgewertet.After the calibration, unknown spectra to be determined are compared with those in the calibration optimal factor configuration determined evaluated.

Das Auswertesystem Intellldent soll im Idealfall für alle Sortierungsaufgaben der das von einer Messvorrichtung verwendete Licht absorbierenden Stoffe geeignet sein. Als Beispiel seien im folgenden die organischen Stoffe betrachtet, die mit einer Messvorrichtung unter Verwendung von NIR-Licht untersucht werden. The Intellldent evaluation system should ideally be used for all sorting tasks Measuring device used light-absorbing substances may be suitable. As an example in Following considered the organic matter using a measuring device NIR light can be examined.  

1.1. Universaler Faktorraum1.1. Universal factor space

Das erfindungsgemässe Auswerteverfahren macht sich die Ähnlichkeit der organischen Stoffe zu Nutze, indem es aus einer möglichst großen Anzahl organischer Stoffe einen so genannten universalen Faktorraum bildet: Die organischen Stoffe werden dafür anhand ihrer Spektren zerlegt und ein Set an charakteristischen Bausteinen, die Faktoren, gewonnen. Mit Hilfe dieser Faktoren können die Spektren organischer Stoffe zusammengesetzt werden. Aufgrund der Ähnlichkeit der organischen Stoffe sollen dabei nicht nur die Stoffe zusammengesetzt werden können, die für die Gewinnung der Faktoren verwendet wurden, sondern im Idealfall alle organischen Stoffe. Diese Faktoren bilden den universalen Faktorraum, einen Faktorraum, in dem sich alle organischen Stoffe trennscharf voneinander gruppieren.The evaluation method according to the invention adjusts the similarity of the organic substances Use what is known as the largest possible number of organic substances Universal factor space forms: The organic substances are broken down on the basis of their spectra and a set of characteristic building blocks, the factors. With the help of these factors the spectra of organic substances can be put together. Because of the similarity of the organic substances should not only be able to put together the substances that are used for the Obtaining the factors were used, but ideally all organic matter. This Factors form the universal factor space, a factor space in which all organic substances are Group clearly from each other.

Auf die Ähnlichkeit organischer Stoffe soll im folgenden näher eingegangen werden. Als umfangreichstes Teilgebiet der Chemie umfasst die organische Chemie einen Großteil der Verbindungen des Kohlenstoffs. Etwa 90% der organischen Verbindungen bestehen aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) in wechselnden Mengenverhältnissen. Zahlreiche organische Verbindungen enthalten zusätzlich Stickstoff (N) und in selteneren Fällen auch Schwefel (S), Phosphor (P) und die Halogene. Grundsätzlich kann jedoch jedes Element in organische Verbindungen eingebaut werden. Fig. 4 bis Fig. 12 zeigen beispielhaft die chemischen Grundbestandteile ausgewählter organischer Substanzen: Fig. 4 bis Fig. 7 zeigen jeweils eine Verbindung der Alkane, Altrene, Cycloalkane und der aromatischen Kohlenwasserstoffe wie sie u. a. in Dieselkraftstoffen vorkommen. Fig. 8 und Fig. 9 zeigen die Grundstrukturen von zwei Kunststoffen, dem Polyvinylchlorid und einem Polycarbonat. In Fig. 10 ist die Grundstruktur der Cellulose dargestellt. Cellulose befindet sich u. a. als Gerüstsubstanz in der pflanzlichen Zellwand und ist Bestandteil von Papier. Fig. 11 und Fig. 12 zeigen zwei weitere pflanzliche Bestandteile. Zum einen das Farnesol, das eine bestimmende Komponente von Blüten-Duftstoffen, z. B. von Rosen, Akazien und Linden darstellt (vgl. Richter, Gerhard. Biochemie der Pflanzen. Stuttgart; New York: Thieme, 1996); zum anderen das Chlorophyll, das in jeder grünen Pflanze als sog. Blattgrün an der Fotosynthese beteiligt ist.The similarity of organic substances will be discussed in more detail below. As the most extensive branch of chemistry, organic chemistry comprises a large part of the compounds of carbon. About 90% of the organic compounds consist of carbon (C), hydrogen (H) and oxygen (O) in varying proportions. Numerous organic compounds also contain nitrogen (N) and in rare cases also sulfur (S), phosphorus (P) and the halogens. In principle, however, every element can be incorporated into organic compounds. .. 4 Fig through 7 show, respectively, a compound of alkanes, Altrene, cycloalkanes and aromatic hydrocarbons such as inter alia occur in diesel fuels: Figures 4 to 12 show examples of the basic chemical constituents of selected organic substances... FIG. 8 and FIG. 9 show the basic structures of two plastic materials, the polyvinyl chloride and polycarbonate. In Fig. 10, the basic structure of the cellulose is illustrated. Cellulose is found as a structural substance in the plant cell wall and is part of paper. Fig. 11 and Fig. 12 show two other herbal ingredients. Firstly, the farnesol, which is a determining component of flower fragrances, e.g. B. von Rosen, Akacien und Linden (cf. Richter, Gerhard. Biochemie der Pflanzen. Stuttgart; New York: Thieme, 1996); on the other hand, chlorophyll, which is involved in photosynthesis as green leaf in every green plant.

Die Auswahl dieser Stoffe soll verdeutlichen, wie ähnlich sich organische Stoffe in ihrem chemischen Aufbau sind. Die chemischen Verbindungen, die in den jeweiligen Stoffen zu finden sind, sind immer die gleichen. So befindet sich die nicht aromatische CH-Gruppe beispielsweise in Cellulose, Farnesol, Chlorophyll und im Polyvinylchlorid; die aromatische CH-Gruppe ist sowohl im Benzpyren als auch im Polycarbonat zu finden; die CH3-Gruppe ist Bestandteil von Heptamethylnonan, Trimetallpenten, Polycarbonat Farnesol und Chlorophyll. Würde man organische Stoffe in ihre einzelnen chemischen Verbindungen zerlegen und beliebig wieder zusammensetzen können, so würde ein bestimmtes Repertoire an organischen Stoffen ausreichen, um daraus jede andere organische Substanz vollständig oder zumindest bis zu einem gewissen Grad zusammensetzen zu können.The selection of these substances is intended to illustrate how similar organic substances are in their chemical structure. The chemical compounds that can be found in the respective substances are always the same. For example, the non-aromatic CH group is found in cellulose, farnesol, chlorophyll and in polyvinyl chloride; the aromatic CH group can be found in both benzopyrene and polycarbonate; the CH 3 group is a component of heptamethylnonane, trimetal pentene, polycarbonate farnesol and chlorophyll. If organic substances could be broken down into their individual chemical compounds and reassembled as required, a certain repertoire of organic substances would be sufficient to be able to assemble any other organic substance completely or at least to a certain extent.

Die NIR-Spektroskopie reagiert gerade auf die einzelnen chemischen Verbindungen in ihrem jeweiligen molekularen Zusammenhang. So ergäbe z. B. die CH-Bindung in der Methyl-(CH3)- Gruppe eine charakteristische Bande in einem NIR-Spektrum.NIR spectroscopy is currently reacting to the individual chemical compounds in their respective molecular context. For example, B. the CH bond in the methyl (CH 3 ) group is a characteristic band in an NIR spectrum.

Vor diesem Hintergrund ist es der zentrale Gedanke dieser Erfindung, eine möglichst große Anzahl organischer Stoffe anhand ihrer NIR-Spektren in ihre einzelnen Verbindungen oder in einzelne Gruppen von Verbindungen zu zerlegen und diese Einzelteile anschließend beliebig zusammenzusetzen. Dies wird mit Hilfe der Faktoranalyse möglich. Die Faktoren können dabei als charakteristische Gruppen einzelner Verbindungen interpretiert werden. Eine große Anzahl verschiedener organischer Stoffe soll demnach Faktoren liefern, aus denen jede beliebige organische Verbindung zusammengesetzt werden kann. Against this background, the central idea of this invention is to have as many as possible organic substances based on their NIR spectra in their individual compounds or in individual Disassemble groups of connections and then these individual parts as desired reassemble. This becomes possible with the help of factor analysis. The factors can be as characteristic groups of individual compounds can be interpreted. A big number of various organic substances should therefore provide factors from which any organic compound can be composed.  

1.1.1. Referenzstoffe zur Bildung des universalen Faktorraums1.1.1. Reference substances for the formation of the universal factor space

In Fig. 15 sind die Stoffe dargestellt, aus deren NIR-Spektren der universale Faktomaum des vorgestellten Beispiels berechnet wird. Der Anspruch der abgebildeten Auswahl ist es, möglichst viele für den Bereich der organischen Substanzen repräsentative chemische Verbindungen zu beinhalten. Bei gezeigtem Beispiel handelt es sich insgesamt um 121 verschiedene Stoffe oder Stoffgemische. Neben einer großen Gruppe an Kunststoffen sind v.a. viele Biomaterialien (z. B. Holz, Linoleum, Leder) und Pflanzen (Flieder, Löwenzahn, Knoblauch, Buchshecke u.v.m.) enthalten, die sich besonders durch eine Vielfalt an chemischen Verbindungen auszeichnen. Neben festen organischen Substanzen wurden auch flüssige aufgenommen. Flüssige Substanzen unterscheiden sich von festen v.a. dadurch, dass die in Flüssigkeiten vorkommenden Moleküle deutlich kleiner sind als die in Feststoffen vorkommenden und die Bindungen der Moleküle untereinander schwächer sind als in Feststoffen. Daraus ergibt sich in Flüssigkeiten im Vergleich zu Feststoffen ein differierendes Umfeld für die einzelnen chemischen Verbindungen, was sich in den NIR-Spektren niederschlägt.In Fig. 15, the materials are shown, from their NIR spectra of the universal Faktomaum of the proposed example will be calculated. The aim of the selection shown is to include as many chemical compounds as possible representative of the field of organic substances. In the example shown, there are a total of 121 different substances or mixtures of substances. In addition to a large group of plastics, it contains many biomaterials (e.g. wood, linoleum, leather) and plants (lilac, dandelion, garlic, box hedge and much more), which are particularly characterized by a variety of chemical compounds. In addition to solid organic substances, liquid ones were also taken up. Liquid substances differ from solid substances mainly in that the molecules in liquids are significantly smaller than those in solids and the bonds between the molecules are weaker than in solids. This results in a different environment for the individual chemical compounds in liquids compared to solids, which is reflected in the NIR spectra.

Als nicht organische Verbindungen sind Wasser und Sand in die Auswahl aufgenommen. Das Wasser ist selbst im Nahen Infrarot aktiv und kommt sehr häufig in Verbindung mit organischen Substanzen vor, so z. B. in vielen Biomaterialien oder als Rückstand auf gewaschenen Kunststoffen. Der Sand ist im Nahen Infrarot nicht aktiv und diente als Träger organischer Flüssigkeiten, um diese auch in geringer Konzentration messen zu können.Water and sand are included as non-organic compounds. The Water is active even in the near infrared and very often comes into contact with organic ones Substances before, for. B. in many biomaterials or as a residue on washed plastics. The sand is not active in the near infrared and served as a carrier of organic liquids to be able to measure them even in low concentrations.

1.2. Faktoranalyse1.2. factor analysis

Die Faktoranalyse umfasst zwei Vorgänge: zum einen die Faktorzerlegung von Spektren in die Faktoren und zum anderen die Bestimmung der Faktorgewichte von Spektren bezüglich der Faktoren.The factor analysis comprises two processes: first, the factorization of spectra into the Factors and on the other hand the determination of the factor weights of spectra with respect to the Factors.

Die Faktoranalyse ist im Fall von IntellIdent für alle Messvorrichtungen, die dieselbe elektromagnetische Strahlung verwenden, prinzipiell nur ein einziges Mal notwendig und wird mit möglichst vielen verschiedenen Stoffen durchgeführt. Da der Fokus des gezeigten Beispiels auf der Untersuchung organischer Stoffe liegt, wurden möglichst viele verschiedene organische Stoffe ausgewählt und als Spektren aufgenommen. Die Gesamtheit dieser Stoffe, repräsentiert durch jeweils fünf Spektren, wurde der Faktoranalyse unterzogen. Dabei ergaben sich 30 sinnvolle Faktoren. Die darüber hinaus berechneten Faktoren enthielten keine signifikante Information, sondern nur noch sog. Rauschen. Theoretisch ist aber auch eine andere Anzahl an Faktoren möglich. Sowohl die Kalibrationsspektren der Stoffe, die das System erkennen soll, als auch unbekannte Spektren die nach der Kalibration bestimmt werden sollen, werden in die zu den universalen Faktoren gehörigen Faktorgewichte umgerechnet.The factor analysis in the case of IntellIdent is the same for all measuring devices Use electromagnetic radiation, in principle only once and is included as many different substances as possible. Since the focus of the example shown on the Examination of organic substances, as many different organic substances as possible selected and recorded as spectra. The totality of these substances, represented by Five spectra each was subjected to factor analysis. This resulted in 30 sensible ones Factors. The factors calculated beyond that contained no significant information, but only so-called noise. Theoretically, there are also a number of other factors possible. Both the calibration spectra of the substances that the system is supposed to recognize as well as unknown spectra that are to be determined after the calibration are included in the factor weights associated with universal factors.

1.3. Faktorauswahl1.3. factor selection

Die Untersuchung von Stoffspektren mit Hilfe der Faktoranalyse geschieht folgendermaßen: Zunächst werden Kalibrationsspektren von zu bestimmenden Stoffen in den universalen Faktorraum projiziert, in dem sie sich anhand ihrer Faktorgewichte spezifisch gruppieren. Jedes unbekannte Spektrum wird dann in der Folge ebenfalls in den universalen Faktorraum projiziert; dort werden die Mahalanobis-Distanzen, u. a. beschrieben in Derde, M. P. / Massart, D. L. Analytica Chimica Acta, Bd. 184, 1986, S. 33, zu Spektren bekannter Stoffe errechnet. Dies alles geschieht automatisch. Mit diesem Entfernungsmaß kann eine Aussage über die Zugehörigkeit des untersuchten Spektrums zu den Kalibrationsstoffen erfolgen. Der hier aufgestellte universale Faktorraum besitzt 30 Dimensionen - jedes Spektrum wird durch 30 Faktorgewichte dargestellt.The analysis of substance spectra with the help of factor analysis takes place as follows: First, calibration spectra of substances to be determined are in the universal factor space projected by grouping them based on their factor weights. Any unknown The spectrum is then also projected into the universal factor space; there will be the Mahalanobis distances, u. a. described in Derde, M.P. / Massart, D.L. Analytica Chimica Acta, vol. 184, 1986, p. 33, calculated for spectra of known substances. All of this is happening automatically. With this distance measure, a statement about the affiliation of the examined spectrum for the calibration substances. The universal set up here Factor space has 30 dimensions - each spectrum is represented by 30 factor weights.

Bei der bisher üblichen Anwendung der Faktoranalyse, d. h. bei der Errechnung der Faktoren aus den Stoffen, die danach auch bestimmt werden sollen, kann der Informationsgehalt eines Spektrums schon mit Hilfe von zwei Faktoren mit zumeist deutlich über 80% dargestellt werden (vgl. z. B. Martens, H. / Naes, T. Multivariate Calibration. Chichester: John Eiley & Sons, 1989.). Die bei IntellIdent verwendeten Faktoren sind zwar nicht aus den zu bestimmenden Stoffen selbst errechnet; Auf Grund der Ähnlichkeit organischer Stoffe untereinander wird aber erwartet, dass sich für jeden Anwendungsfall aus dem Bereich organischer Stoffe einige unter den 30 Universalfaktoren befinden, die große Ähnlichkeit zu aus den zu bestimmenden Stoffen selbst errechneten Faktoren haben. Die Verwendung aller dreißig Faktoren für die Beschreibung eines Spektrums wurde daher als nicht ideal erachtet. Sie würde entweder zur Überbestimmung eines Spektrums führen, d. h. Eigenschaften eines Spektrums überbewerten, die nicht stoffspezifisch, sondern nur für das eine betrachtete Spektrum spezifisch sind. Darunter fiele das sog. Rauschen, eine Folge von Störeinflüssen bei der Messung. Oder aber diejenigen Faktoren, die über die für das betrachtete Spektrum relevante Information auch noch irrelevante Information enthalten, müssten diese überflüssige Information gegenseitig ausgleichen. Daher und weiterhin wegen des verminderten Rechenaufwands wurde die Anzahl zu verwendender Faktoren auf drei festgelegt. Die damit erzielten guten Ergebnisse sowie Versuche, die mit zwei, vier und fünf Faktoren durchgeführt wurden und deutlich schlechtere Ergebnisse erzielten, haben diese Entscheidung als richtig bestätigt.In the previously common application of factor analysis, i. H. when calculating the factors The information content of a spectrum can be determined for the substances that are to be determined afterwards  can already be represented with the help of two factors with mostly well over 80% (see e.g. Martens, H. / Naes, T. Multivariate Calibration. Chichester: John Eiley & Sons, 1989.). The at Factors used intelligently are not from the substances to be determined themselves calculated; However, due to the similarity of organic substances to each other, it is expected that for each application from the area of organic substances, some under 30 There are universal factors that are very similar to the substances to be determined themselves have calculated factors. The use of all thirty factors to describe one Spectrum was therefore not considered ideal. They would either overdetermine one Spectrum, d. H. Overvalue properties of a spectrum that are not substance-specific, but are only specific to the spectrum under consideration. That includes the so-called noise, a sequence of interferences during the measurement. Or those factors that go beyond that for that considered spectrum must also contain irrelevant information compensate each other for this superfluous information. Therefore and still because of reduced computing effort, the number of factors to be used was set to three. The thus achieved good results as well as tests carried out with two, four and five factors and have achieved significantly worse results, have made this decision as correct approved.

Aufgabe der Faktorauswahl von Intellldent ist es vor diesem Hintergrund, jene drei der 30 Universalfaktoren zu bestimmen, die für einen vorliegenden Anwendungsfall am geeignetsten sind. Das einfachste Vorgehen bestünde an dieser Stelle darin, alle theoretisch möglichen Faktortripels aus dem Set der 30 Universalfaktoren zu bilden und auf ihre Eignung hin zu überprüfen. Der sich dabei ergebende Rechenaufwand ist aber erheblich. Daher wurde, wie in Fig. 16 gezeigt, ein zweistufiges Verfahren entwickelt, das den Vorgang verkürzt.Against this background, it is the task of Intellldent's factor selection to determine the three of the 30 universal factors that are most suitable for a given application. The simplest procedure at this point would be to form all theoretically possible factor triples from the set of 30 universal factors and to check their suitability. The resulting computing effort is considerable. Therefore, as shown in Fig. 16, a two-step process has been developed that shortens the process.

In der ersten Stufe werden die optimalen vier Erstfaktoren bestimmt, d. h. vier Faktoren, von denen einer Bestandteil des optimalen Faktortripels sein wird. In einer zweiten Stufe wird daraufhin ermittelt, welche zwei weiteren Faktoren zusammen mit einem der vier optimalen Erstfaktoren das optimale Faktortripel ergeben. Für diese Vorgehensweise benötigt das System einen Bewertungsmaßstab, mit dem es die Güte eines Erstfaktors oder eines Faktortripels evaluieren kann. Hierfür wurden zwei Kennzahlen entwickelt, die Andrassy-Selektivität (ANSEL) und der Andrassy-Stair-Wert (ANSTAIR-Wert), auf die im nachfolgenden Kapitel näher eingegangen wird.In the first stage, the optimal four first factors are determined, i.e. H. four factors, one of which will be part of the optimal factor triple. Then in a second stage determines which two further factors together with one of the four optimal first factors that result in optimal factor triples. The system requires one for this procedure Evaluation scale with which it can evaluate the quality of a first factor or a factor triplet. Two indicators were developed for this, the Andrassy selectivity (ANSEL) and the Andrassy Stair value (ANSTAIR value), which is discussed in more detail in the following chapter.

1.3.1. Andrassy-Selektivität und Andrassy-Stair-Wert1.3.1. Andrassy selectivity and Andrassy Stair value

Die Bestimmung von Stoffen erfolgt über die Zuordnung ihrer Spektren zu den Spektren der Kalibrationsstoffe. Diese Zuordnung geschieht, wie u. a. in Martens, H. / Naes, T. Multivariate Calibration. Chichester: John Eiley & Sons, 1989 beschrieben, in einem n-dimensionalen Faktorraum. In ihm wird mit Hilfe der Mahalanobis-Distanz bestimmt, wie weit Spektren voneinander entfernt liegen.Substances are determined by assigning their spectra to the spectra of Kalibrationsstoffe. This assignment happens as u. a. in Martens, H. / Naes, T. Multivariate Calibration. Chichester: John Eiley & Sons, described in 1989, in an n-dimensional Factor space. With the help of the Mahalanobis distance it is determined how far spectra are apart.

Tabelle 1.1 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer Bestimmung von fünf Kunststoffen gegenüber zehn Kalibrationsstoffen. In der ersten Spalte befinden sich die Kalibrationsstoffe, d. h. die zehn Kunststoffe, auf deren Erkennung das System in diesem Fall trainiert wurde. Die zu erkennenden Stoffe sind fünf der zehn Kalibrationskunststoffe. Die Werte zeigen die Mahalanobis-Distanzen des zu erkennenden Stoffs zu den Kalibrationsstoffen an. Die Entfernung zu dem Kalibrationsstoff, um den es sich bei dem zu erkennenden Stoff handelt, ist jeweils markiert. Die geringste Entfernung entscheidet darüber, welchem Kalibrationsstoff der zu erkennende Stoff vom System zugeordnet wird. Der zu erkennende Kunststoff 1 (PA6) beispielsweise hat eine Entfernung zu dem Kalibrations-Kunststoff 1 von 32,2 und zu den übrigen Kalibrationsstoffen eine Entfernung größer als 129. Er wurde demnach richtig als Kunststoff 1 (PA6) erkannt. Der zu erkennende Kunststoff 10 (ABS) hat zu dem Kalibrations-Kunststoff 10 eine Entfernung von 6,7 und zu den übrigen Kalibrations-Kunststoffen eine Entfernung von mindestens 9,3. Er würde demnach von dem System ebenfalls richtig zugeordnet werden. Jedoch sind die Entfernungen zu Kalibrations-Kunststoff 6 (LF-Fraktion) und Kalibrations-Kunststoff 9 (PC/ABS-Blend) von 9,3 bzw. 10,9 nicht deutlich größer als die Entfernung zu Kunststoff 10 selbst. Der zu erkennende Kunststoff liegt also von diesen drei Kunststoffen ungefähr gleich weit entfernt. Eine eindeutige Zuordnung kann nicht geleistet werden.Table 1.1 shows an example of the result of a determination of five plastics ten calibration substances. The first column contains the calibration substances, i.e. H. the ten Plastics that the system was trained to recognize in this case. The ones to be recognized Fabrics are five of the ten calibration plastics. The values show the Mahalanobis distances of the to be recognized to the calibration substances. The distance to the calibration substance to the substance to be recognized is marked in each case. The shortest distance decides which calibration substance the substance to be recognized is assigned by the system becomes. The plastic 1 (PA6) to be recognized, for example, has a distance from it Calibration plastic 1 of 32.2 and a distance larger from the other calibration substances as 129. It was therefore correctly recognized as plastic 1 (PA6). The plastic 10 to be recognized (ABS) is at a distance of 6.7 from the calibration plastic 10 and from the rest Calibration plastics a distance of at least 9.3. So he would be from the system also be assigned correctly. However, the distances to calibration plastic are 6 (LF fraction) and calibration plastic 9 (PC / ABS blend) of 9.3 or 10.9 not clear  larger than the distance to plastic 10 itself. The plastic to be recognized is therefore from these three plastics are about the same distance away. A clear assignment cannot be performed.

Tabelle 1.1 Gemittelte Fremd- und Eigendistanzen von fünf aus zehn Kunststoffen Table 1.1 Average external and internal distances of five out of ten plastics

Durch dieses Beispiel wird deutlich, dass die jeweiligen Ergebnisse der Anordnung der Stoffspektren in einem Faktorraum bewertet werden müssen. Für die verlässliche Bewertung müssen die einzelnen Entfernungen in Bezug zueinander gesetzt werden. Hierfür wurde die Andrassy-Selektivität (ANSEL) entwickelt, die wie folgt gebildet wird:This example clearly shows that the respective results of the arrangement of the Material spectra in a factor space must be evaluated. For reliable evaluation the individual distances must be related to each other. For this, the Andrassy selectivity (ANSEL) developed, which is formed as follows:

Es wird angenommen, dass n Kalibrationsstoffe vorliegen, d. h. das System soll in der Folge diese n Stoffe erkennen. Jeder dieser n Kalibrationsstoffe wird durch eine beliebige Anzahl von Spektren repräsentiert. Alle Spektren wurden in ihre Faktorgewichte bezüglich der vorher festgelegten Universalfaktoren umgewandelt, wurden damit in den universalen Faktorraum projiziert. Wie gut ein Kalibrationsstoff sich dabei von den übrigen Kalibrationsstoffen (Gegenstoffe) in dem Faktorraum absetzt, inwiefern sich also die Spektren eines betrachteten Kalibrationsstoffs nahe beieinander und gleichzeitig entfernt von den Spektren der übrigen Kalibrationsstoffe anordnen, wird wie in Fig. 13 schematisch gezeigt ermittelt:It is assumed that there are n calibration substances, ie the system should subsequently recognize these n substances. Each of these n calibration substances is represented by any number of spectra. All spectra were converted into their factor weights with respect to the previously determined universal factors and were thus projected into the universal factor space. How well a calibration substance sets itself apart from the other calibration substances (counter substances) in the factor space, i.e. to what extent the spectra of a calibration substance under consideration are arranged close to one another and at the same time distant from the spectra of the other calibration substances is schematically shown in Fig. 13:

Berücksichtigt wird zunächst ein Spektrum des betrachteten Kalibrationsstoffs. Es werden die Mahalanobis-Distanzen zu jedem Spektrum eines Gegenstoffs berechnet und der Mittelwert darüber gebildet. Dieses Maß wird die "Fremddistanz" des betrachteten Stoffs zu einem Gegenstoff genannt. Zusätzlich werden von diesem einen Spektrum zu den anderen Spektren des betrachteten Kalibrationsstoffs selbst die Mahalanobis-Distanzen gebildet und darüber der Mittelwert gebildet. Dieses Maß wird die "Eigendistanz" eines betrachteten Stoffs genannt.First of all, a spectrum of the calibration substance under consideration is taken into account. It will be the Mahalanobis distances to each spectrum of a counter substance are calculated and the mean value above educated. This measure is called the "foreign distance" of the substance under consideration to a counter substance. In addition, from this one spectrum to the other spectra of the considered Calibration material, the Mahalanobis distances were formed and the mean value was calculated. This measure is called the "intrinsic distance" of a substance under consideration.

Für alle weiteren Spektren des betrachteten Kalibrationsstoffs werden ebenfalls die Fremd- und Eigendistanzen bestimmt. Der Mittelwert aller Eigendistanzen eines betrachteten Stoffs ergibt die gemittelte Eigendistanz - der Mittelwert aller Fremddistanzen eines betrachteten Stoffs zu einem Gegenstoff ergibt die gemittelte Fremddistanz zwischen diesen beiden Stoffen. Die gemittelte Fremddistanz wird dabei zu jedem der n-1 Gegenstoffe errechnet.For all other spectra of the calibration substance under consideration, the foreign and Distances determined. The average of all the natural distances of a substance in question gives that averaged self-distance - the average of all external distances of a substance under consideration to one The mean distance between these two substances is given by the counter substance. The averaged External distance is calculated for each of the n-1 counter substances.

Ein Stoff ist genau dann von den anderen zu unterscheiden, wenn seine gemittelte Eigendistanz gegenüber allen gemittelten Fremddistanzen klein ist. Diese Aussage wird in mehreren Schritten mathematisch formuliert und in der Andrassy-Selektivität zusammengefasst. Sie wird nach Gleichung 1.6 aus den beiden Kennzahlen, Krel (1.3) und Kabs (1.5) gebildet.A substance can be distinguished from the others if and only if its averaged self-distance is small compared to all averaged external distances. This statement is formulated mathematically in several steps and summarized in the Andrassy selectivity. It is formed according to equation 1.6 from the two key figures, K rel (1.3) and K abs (1.5).

Krel ist ein Maß für die Größe der Eigendistanz (Deigen) eines Stoffes relativ zu den Fremddistanzen (Dfremd g) der Gegenstoffe. Ziel dieser Kennzahl ist es, zu erfassen, ob die gemittelten Fremddistanzen sich deutlich von der Eigendistanz in ihrer Größenordnung unterscheiden. Dafür wird zunächst die gemittelte Eigendistanz zu jeder gemittelten Fremddistanz einzeln in Bezug gesetzt. Dies geschieht nach den Gleichungen (1.1) und (1.3). In Gleichung (1.1) wird der Quotient REL aus gemittelter Eigen- und Fremddistanz gebildet. Ist die gemittelte Fremddistanz von derselben Größenordnung wie die gemittelte Eigendistanz, ergibt sich dabei ein Wert REL um eins. Ist sie jedoch von deutlich höherer Größenordnung, geht der Wert REL gegen null. Ist die gemittelte Fremddistanz von einer gleichen oder niedrigeren Größenordnung als die gemittelte Eigendistanz, ist die Unterscheidung der beiden dazugehörigen Stoffe nicht möglich. Nur wenn die gemittelte Fremddistanz von einer höheren Größenordnung ist als die gemittelte Eigendistanz ist eine Unterscheidung der Stoffe erfolgreich. Diesen Zusammenhang formuliert Gleichung (1.2). Es handelt sich hierbei um eine so genannte S-Funktion, die alle Werte REL auf das Intervall zwischen 0 und 1 abbilden. Fig. 17 veranschaulicht die Funktion, Alle Werte REL, die nahe eins oder größer eins sind, bekommen einen Wert krei nahe eins zugewiesen. Alle Werte REL die gegen null gehen bekommen einen Wert krei nahe null zugewiesen. Liegen die Spektren eines betrachteten Stoffes im n-dimensionalen Faktorraum in der Nähe eines anderen Stoffs, ergibt sich dementsprechend für krel ein Wert nahe eins. Liegen sie in "sicherer" Entfernung, ergibt sich ein Wert für krel nahe null.
K rel is a measure of the size of the intrinsic distance (D eigen ) of a substance relative to the external distances (D foreign g ) of the counter substances. The aim of this key figure is to ascertain whether the averaged external distances differ significantly in magnitude from the internal distance. To do this, the averaged self-distance is first individually related to each averaged external distance. This is done according to equations (1.1) and (1.3). In equation (1.1), the quotient REL is formed from the averaged intrinsic and external distance. If the averaged external distance is of the same order of magnitude as the averaged self-distance, this results in a value REL of one. However, if it is of a significantly higher order of magnitude, the REL value goes to zero. If the averaged external distance is of the same or a lower order of magnitude than the averaged self-distance, it is not possible to differentiate between the two associated substances. A distinction between substances is only successful if the averaged external distance is of a higher order of magnitude than the averaged self-distance. Equation (1.2) formulates this relationship. This is a so-called S function that maps all REL values to the interval between 0 and 1. Fig. 17 illustrates the function REL All values that are close one to one or greater, are given a rating assigned krei close to unity. All values REL that go towards zero are assigned a value krei close to zero. If the spectra of a substance in question are in the n-dimensional factor space in the vicinity of another substance, the value for k rel is accordingly close to one. If they are at a "safe" distance, the value for k rel is close to zero.

Über alle Werte krel einer Trennungsaufgabe wird nach Gleichung (1.3) die Summe Krel gebildet, die explizit nicht gemittelt wird. Auf diese Weise fließt jeder Gegenstoff in die Bewertung gleichermaßen ein, unabhängig davon, wie viele Gegenstoffe vorhanden sind.The sum K rel , which is not explicitly averaged, is formed over all values k rel of a separation task according to equation (1.3). In this way, each counter substance is included in the evaluation equally, regardless of how many counter substances are present.

Diesem Vorgehen liegt die Prämisse zu Grunde, dass eine Unterscheidung von n Stoffen nur dann als erfolgreich gilt, wenn jeder Stoff von jedem anderen der n-1 Stoffe unterschieden werden kann. Sie muss als gescheitert gelten, wenn mindestens zwei Stoffe nicht unterschieden werden können. Nur dann, wenn die gemittelte Eigendistanz deutlich kleiner ist als jede gemittelte Fremddistanz, wird der Wert Krel nahe null sein. Da Krel umgekehrt proportional in die Andrassy-Selektivität eingeht, wird diese bei sehr guter Unterscheidbarkeit aller betrachteten Stoffe, d. h. bei sehr kleinem Krel sehr groß. Ist nur eine gemittelte Fremddistanz von ähnlicher Größenordnung wie die gemittelte Eigendistanz, bleibt die Andrassy-Selektivität vergleichsweise klein.This approach is based on the premise that a distinction between n substances is only considered successful if each substance can be distinguished from any other of the n-1 substances. It must be considered to have failed if at least two substances cannot be distinguished. Only if the averaged natural distance is significantly smaller than any averaged external distance will the value K rel be close to zero. Since K rel is inversely proportional to the Andrassy selectivity, it becomes very large with a very good distinguishability of all substances under consideration, ie with a very small K rel . If only an averaged external distance of a similar magnitude as the averaged self-distance, the Andrassy selectivity remains comparatively small.

Kabs berücksichtigt die absolute Differenz zwischen Eigendistanz und Fremddistanz. Dies ist notwendig, da Krel nicht zwischen relativ großen Werten von gemittelten Eigen- und Fremddistanzen und relativ kleinen Werten von gemittelten Eigen- und Fremddistanzen unterscheiden kann. Zur Verdeutlichung der Problematik dient das folgende Beispiel: Für eine Eigendistanz von 50 und eine Fremddistanz von 100 ergibt sich dieselbe relative Kennziffer REL (0.5) wie für eine Eigendistanz von eins und eine Fremddistanz von zwei. Dabei ist ein Stoff, dessen Spektren sich mit einer durchschnittlichen Mahalanobis-Distanz zueinander von 50 gruppieren deutlicher von einem Stoff zu unterscheiden, dessen Spektren im Durchschnitt eine Mahalanobis-Distanz von 100 von den Spektren des betrachteten Stoffs entfernt liegen, als ein Stoff mit den entsprechenden Distanzen eins und zwei. Um dies zu korrigieren, wird die absolute Kennziffer Kabs (Gleichungen 1.4 bis 1.5) eingeführt, die von der durchschnittlichen Differenz aller Fremddistanzen zur Eigendistanz eines Stoffes gebildet wird.
K abs takes into account the absolute difference between self-distance and external distance. This is necessary because K rel cannot differentiate between relatively large values of averaged internal and external distances and relatively small values of averaged internal and external distances. The following example serves to illustrate the problem: For an internal distance of 50 and an external distance of 100, the same relative index REL (0.5) results as for an internal distance of one and an external distance of two. A substance whose spectra are grouped with an average Mahalanobis distance of 50 from each other is more clearly different from a substance whose spectra are on average a Mahalanobis distance of 100 from the spectra of the substance under consideration than a substance with the corresponding ones Distances one and two. To correct this, the absolute index K abs (equations 1.4 to 1.5) is introduced, which is formed from the average difference of all external distances to the intrinsic distance of a substance.

Dabei erhält jede Differenz zwischen einer Fremddistanz und der Eigendistanz, die größer als 500 ist, den Wert 500, da dieser Wert als ausreichend erachtet wird, um zwei Stoffe deutlich voneinander zu unterscheiden. Werte, die darüber liegen, bedeuten keinen Zugewinn an Trennschärfe und würden die Bewertung der Trennschärfe übermäßig beeinflussen, wenn sie mit ihrem vollen Betrag in die Bewertung eingingen.Any difference between an external distance and the self-distance is greater than 500 is the value 500, since this value is considered sufficient to make two substances clear to be distinguished from each other. Values above this do not mean a gain Selectivity and would unduly affect the rating of selectivity if using their full amount was included in the evaluation.

Tabelle 1.2 zeigt die ANSEL-Werte und ANSTAIR-Werte für das in Tabelle 1.1 gezeigte Beispiel. Wie oben beschrieben wurde Kunststoff 1 sehr gut erkannt. Für ihn ergibt sich eine Andrassy- Selektivität von 8,72E+05. Kunststoff 2 und Kunstoff 7 werden, wie aus Tabelle 1.1 zu ersehen ist, ebenfalls sehr gut erkannt. Ihre gemittelten Eigendistanzen sind mit 3,8 bzw. 9,8 kleiner als bei Kunststoff 1, d. h. sie gruppieren sich dichter bei den zu erwartenden Kalibrationsstoffen als Kunststoff 1.Table 1.2 shows the ANSEL values and ANSTAIR values for the example shown in Table 1.1. As described above, plastic 1 was recognized very well. For him there is an Andrassy Selectivity of 8.72E + 05. Plastic 2 and plastic 7, as can be seen from Table 1.1, also recognized very well. Their averaged self-distances are 3.8 and 9.8 respectively smaller than for Plastic 1, d. H. they are grouped more closely together with the expected calibration substances than Plastic 1.

Tabelle 1.2 Table 1.2

Andrassy-Selektivitäten und ANSTAIR-Werte des Beispiels aus Tabelle 1.1. Andrassy selectivities and ANSTAIR values of the example from Table 1.1.

Gleichzeitig ist aber auch die geringste gemittelte Fremddistanz, d. h. die geringste Entfernung zu einem der anderen Kalibrationsstoffe niedriger als bei Kunststoff 1: Kunststoff 2 liegt 97,3 von Kunststoff 7 entfernt; Kunststoff 7 68,7 von Kunststoff 6. Kunststoff 1 liegt mit 129,8 weiter von dem nächstliegenden Gegenstoff (Kunststoff 7) entfernt. Die Entfernung zum nächstgelegenen Gegenstoff ist dabei deshalb besonders relevant, da die Erkennung eines zu bestimmenden Stoffs bereits dann gescheitert ist, wenn ein Gegenstoff so nahe an dem zu bestimmenden Stoff liegt, dass er von diesem nicht deutlich genug unterschieden werden kann. In diesem Fall werden allerdings die niedrigeren Distanzen zu dem nächstgelegenen Gegenstoff durch die deutlich engere Gruppierung des betrachteten Stoffs bei sich selbst mehr als ausgeglichen: Mit ANSEL-Werten von 4,03E+06 für Kunststoff 2 und 1,93E+06 für Kunststoff 7 wird ihre Erkennung deshalb als noch besser eingestuft als die von Kunststoff 1. Kunststoff 9 gruppiert sich mit einer gemittelten Eigendistanz von 5,5 auch sehr dicht bei sich selbst als Kalibrationsstoff, liegt allerdings mit einer gemittelten Fremddistanz von 11,5 relativ nahe an Kunststoff 6. Diese Erkennung wird mit einer Andrassy-Selektivität von 2,46E+04 deutlich niedriger bewertet als die Erkennung der Kunststoffe 1, 2 und 7. Kunststoff 10 wird wie oben beschrieben nur sehr schlecht erkannt und erfährt mit einer Andrassy-Selektivität von 4,04E+02 eine nochmals niedrigere Bewertung.At the same time, however, the smallest averaged external distance, ie the shortest distance to one of the other calibration substances, is lower than with plastic 1: plastic 2 is 97.3 from plastic 7; Plastic 7 68.7 from plastic 6. At 129.8, plastic 1 is further away from the closest counter-material (plastic 7). The distance to the closest counter substance is particularly relevant because the detection of a substance to be determined has already failed if a counter substance is so close to the substance to be determined that it cannot be clearly differentiated from it. In this case, however, the shorter distances to the closest counter substance are more than compensated for by the much closer grouping of the substance under consideration: with ANSEL values of 4.03E + 06 for plastic 2 and 1.93E + 06 for plastic 7 their detection is therefore classified as even better than that of plastic 1. Plastic 9, with an average natural distance of 5.5, is also very close to itself as a calibration substance, but is relatively close to plastic 6 with an average external distance of 11.5. With an Andrassy selectivity of 2.46E + 04, this detection is rated significantly lower than the detection of plastics 1, 2 and 7 . As described above, plastic 10 is recognized only very poorly and, with an Andrassy selectivity of 4.04E + 02, has an even lower rating.

Die Andrassy-Selektivität erstreckt sich theoretisch auf einen Bereich von 0 bis ∞ und liegt in der Praxis zumeist in einem Bereich zwischen 1E+02 und 1E+08, ist damit relativ unübersichtlich. Zudem wurde festgestellt, dass sich die Trennschärfe nicht linear über diesen Bereich verhält. Die Einschätzung der Trennschärfe mit Hilfe der Andrassy-Selektivität wird dadurch erschwert. Es wurde daher eine stetige Funktion, die sog. Andrassy-Stair-Funktion, entwickelt, die die Andrassy- Selektivität auf ein Intervall von 0 bis 1,2 abbildet und ungefähr linear mit der Trennschärfe einer Erkennung steigt. Ein ANSTAIR-Wert von 1,2 signalisiert eine sehr gute Erkennung, ein Wert von null eine sehr schlechte. Gleichung (1.7) zeigt die ANSTAIR-Funktion, Fig. 14 stellt sie grafisch dar.
The Andrassy selectivity theoretically extends from 0 to ∞ and in practice is mostly in the range between 1E + 02 and 1E + 08, which makes it relatively confusing. It was also found that the selectivity does not behave linearly over this range. This makes it difficult to estimate the selectivity with the help of the Andrassy selectivity. A continuous function, the so-called Andrassy-Stair function, was therefore developed, which maps the Andrassy selectivity to an interval from 0 to 1.2 and increases approximately linearly with the selectivity of a detection. An ANSTAIR value of 1.2 indicates very good detection, a value of zero a very bad one. Equation (1.7) shows the ANSTAIR function, Fig. 14 shows it graphically.

Aus Gründen der Skalierung ist der Graf auf drei Bereiche aufgeteilt. Der erste deckt die ANSEL- Werte von null bis 6,00E+04, der zweite ANSEL-Werte von 6,00E+04 bis 4,00E+05 und der dritte ANSEL-Werte von 6,00E+05 bis 1,00E+08 ab. Die Funktion zeichnet sich durch einen Wechsel zwischen Bereichen mit konstantem ANSTAIR-Wert und solchen, in denen der ANSTAIR-Wert über der Andrassy-Selektivität ansteigt, aus. Sie besteht aus neun sowohl unterschiedlich steilen als auch unterschiedlich hohen Stufen im Bereich von null bis 1E+08. Das bedeutet, dass die Trennschärfe einer Erkennung über weite Bereiche der Andrassy-Selektivität konstant bleibt und nur in neun jeweils relativ kleinen Bereichen ansteigt.For reasons of scaling, the count is divided into three areas. The first covers the ANSEL Values from zero to 6.00E + 04, the second ANSEL values from 6.00E + 04 to 4.00E + 05 and the third ANSEL values from 6.00E + 05 to 1.00E + 08 from. The function is characterized by a change between areas with constant ANSTAIR value and those in which the ANSTAIR value above which Andrassy selectivity increases. It consists of nine both steep and different also different levels in the range from zero to 1E + 08. That means the The selectivity of a detection remains constant over wide areas of the Andrassy selectivity only increases in nine relatively small areas.

Für das Beispiel aus Tabelle 1.1 ergeben sich die in Tabelle 1.2 gezeigten ANSTAIR-Werte: Die Kunststoffe 1, 2 und 7 wurden gut erkannt und erhalten ANSTAIR-Werte von 1,100, 1,200 und 1,130. Kunststoff 9 war nur mit mäßiger Sicherheit erkannt worden und erhält einen ANSTAIR- Wert von 0,300. Kunststoff 10 wurde nicht erkannt. Der ANSTAIR-Wert für seine Erkennung ergibt 0,010.For the example from Table 1.1, the ANSTAIR values shown in Table 1.2 result: The Plastics 1, 2 and 7 were well recognized and received ANSTAIR values of 1,100, 1,200 and 1.130. Plastic 9 was only recognized with moderate certainty and receives an ANSTAIR Value of 0.300. Plastic 10 was not recognized. The ANSTAIR value for its detection returns 0.010.

Durch ANSEL- und ANSTAIR-Wert ist es möglich geworden, die Trennschärfe der Bestimmung eines Stoffs reproduzierbar zu bewerten. Dadurch können unterschiedliche Parameter bei der Durchführung einer Stoffbestimmung miteinander verglichen werden. So kann, wie im folgenden beschrieben, beispielsweise untersucht werden, welcher Faktorraum für die Bestimmung eines Stoffs der geeignetste ist. Diese Untersuchung kann das System anhand dieser Kennzahlen selbstständig durchführen. Sie sind daher notwendige Voraussetzung für eine Automatisierung des gesamten Kalibrationsprozesses.The ANSEL and ANSTAIR values have made it possible to determine the selectivity to evaluate a substance reproducibly. This allows different parameters in the Carrying out a substance determination can be compared. So, as in the following described, for example, be examined which factor space for determining a Is the most suitable. The system can perform this analysis using these key figures  carry out independently. They are therefore a necessary prerequisite for automating the entire calibration process.

1.3.2. Bestimmung der vier Erstfaktoren1.3.2. Determination of the four first factors

Die Faktorauswahl erfolgt, wie in Fig. 16 gezeigt, in zwei Schritten: zuerst werden vier Erstfaktoren bestimmt und mit diesen dann das optimale Faktortripel errechnet. Die vier Erstfaktoren werden aus den Universalfaktoren ermittelt (vgl. schematisch Fig. 18): Zunächst wird ein Universalfaktor ausgewählt. Für diesen werden die Andrassy-Selektivitäten aller Kalibrationsstoffe errechnet und anschließend gemittelt. Gibt es beispielsweise fünf Kalibrationsstoffe, wird zunächst Stoff 1 betrachtet. Zwischen ihm und den vier übrigen Kalibrationsstoffen wird die Andrassy-Selektivität gebildet. Anschließend wird für Stoff 2 die Andrassy-Selektivität ermittelt, usw. So wird für alle Stoffe die Andrassy-Selektivität bezüglich eines Universalfaktors errechnet, der Mittelwert darüber gebildet und dieser Mittelwert zwischengespeichert. Dasselbe wird für jeden weiteren Universalfaktor wiederholt. Jedem Universalfaktor wird auf diese Weise eine gemittelte Andrassy- Selektivität zugeordnet. Die vier Universalfaktoren mit den vier größten Andrassy-Selektivitäten werden als Erstfaktoren für die Berechnung des optimalen Faktortripels weiterverwendet.As shown in FIG. 16, the factor selection takes place in two steps: first four first factors are determined and then the optimal factor triplet is calculated with these. The four first factors are determined from the universal factors (cf. schematically FIG. 18): First, a universal factor is selected. For this, the Andrassy selectivities of all calibration substances are calculated and then averaged. For example, if there are five calibration substances, substance 1 is considered first. The Andrassy selectivity is formed between it and the four other calibration substances. Then the Andrassy selectivity is determined for substance 2, etc. Thus, the Andrassy selectivity is calculated for all substances with respect to a universal factor, the mean value is formed and this mean value is stored temporarily. The same is repeated for every further universal factor. In this way, an average Andrassy selectivity is assigned to each universal factor. The four universal factors with the four largest Andrassy selectivities are used as primary factors for the calculation of the optimal factor triplet.

An diesem Punkt der Untersuchung wäre theoretisch zu erwarten gewesen, dass einzig der Faktor mit der größten Andrassy-Selektivität weiter verwendet wird, da er die größtmögliche Unterschiedlichkeit zwischen den zu unterscheidenden Stoffen abbildet. Es stellte sich jedoch im weiteren Verlauf der Untersuchungen heraus, dass die Verwendung des Erstfaktors mit der größten Andrassy-Selektivität als einer der Faktoren des optimalen Faktortripels nicht immer das maximal zu erreichende Ergebnis liefert. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die Andrassy-Selektivität mit einer gewissen Unschärfe versehen ist, da sie die unendlichen Möglichkeiten der Anordnung der Stoffspektren in einem Faktorraum berücksichtigen muss. Diesem Umstand wird dadurch Rechnung getragen, dass neben dem Faktor mit der größten Andrassy-Selektivität zusätzlich die drei Faktoren mit den nächst kleineren Andrassy-Selektivitäten für die Ermittlung des optimalen Faktortripels weiter verwendet werden.At this point in the investigation it would theoretically have been expected to be the only factor with the greatest Andrassy selectivity, since it is the largest possible Depicts the difference between the substances to be distinguished. However, it turned out in further course of the investigations found that the use of the first factor with the largest Andrassy selectivity as one of the factors of the optimal triple factor is not always the maximum provides the result to be achieved. This is attributed to the Andrassy selectivity is somewhat blurred because it offers the infinite possibilities of arranging the Spectra of substances in a factor space must be taken into account. This fact will Taking into account that in addition to the factor with the greatest Andrassy selectivity, the three factors with the next smaller Andrassy selectivities for determining the optimal one Factor triples can still be used.

1.3.3. Bestimmung des optimalen Faktortripels1.3.3. Determination of the optimal triple factor

In der zweiten Stufe der Faktorauswahl wird das optimale Faktortripel bestimmt, das letztlich für den vorliegenden Anwendungsfall verwendet werden soll. Die drei Universalfaktoren, anhand derer das System die vorliegenden Stoffe am besten unterscheiden kann, werden festgelegt.In the second stage of the factor selection, the optimal factor triple is determined, which is ultimately for the present use case is to be used. The three universal factors on the basis of which the system is best able to distinguish between the substances at hand.

Fig. 20 zeigt schematisch, wie dabei vorgegangen wird: Für jede theoretisch mögliche Kombination aus einem der vier Erstfaktoren und zwei der jeweils anderen 29 Universalfaktoren wird die gemittelte Andrassy-Selektivität der vorliegenden Stoffe gebildet. Dabei wird für jeden Stoff die Andrassy-Selektivität zu den anderen Stoffen berechnet und über alle Andrassy-Selektivitäten der Mittelwert gebildet. Jedem Faktortripel lässt sich somit eine gemittelte Andrassy-Selektivität zuordnen. Die vier Faktortripel mit den vier größten Andrassy-Selektivitäten werden als die für die Bestimmung der vorliegenden Stoffe geeignetsten angesehen und für die weitere Verwendung festgehalten. Bei der Auswertung zu bestimmender Stoffe wird dann ermittelt, welche der vier Faktortripel das optimale ist. Fig. 20 shows diagrammatically how this procedure: the averaged Andrassy selectivity of the present substances is formed for each theoretically possible combination of one of the four Erstfaktoren and two of the other 29 Universal factors. For each substance, the Andrassy selectivity to the other substances is calculated and the average of all Andrassy selectivities is calculated. An average Andrassy selectivity can thus be assigned to each triple factor. The four factor triples with the four largest Andrassy selectivities are considered the most suitable for the determination of the substances present and are recorded for further use. When evaluating substances to be determined, it is then determined which of the four triple factors is the optimal one.

1.4. Auswertung zu bestimmender Stoffe1.4. Evaluation of substances to be determined

Die Auswertung zu bestimmender Stoffe vor dem Hintergrund der Kalibration verläuft wie folgt: wie in Fig. 22 dargestellt: Der zu bestimmende Stoff wird ebenso wie die Kalibrationsstoffe nacheinander in die vier Faktorräume projiziert, die von den vier optimalen Faktortripeln aufgespannt werden. Dort werden die Gemittelten Mahalanobis-Distanzen des zu bestimmenden Stoffs zu allen Kalibrationsstoffen ermittelt. Dem Kalibrationsstoff mit der kleinsten Gemittelten Mahalanobis-Distanz (GMD) wird der zu bestimmende Stoff als Ergebnis zugeordnet. Zusätzlich werden ANSEL- und ANSTAIR-Wert zwischen der kleinsten GMD und den übrigen GMD gebildet. Das Ergebnis des Faktorraums der vier optimalen Faktorräume mit dem höchsten ANSEL- Wert wird als Endergebnis festgehalten. Mit dem dazu berechneten ANSTAIR-Wert kann bewertet werden, mit welcher Sicherheit die Zuordnung des zu bestimmenden Stoffs zu einem der Kalibrationsstoffe erfolgt ist.The evaluation of substances to be determined against the background of the calibration proceeds as follows: As shown in FIG. 22: The substance to be determined, like the calibration substances, is successively projected into the four factor spaces that are spanned by the four optimal factor triples. There, the averaged Mahalanobis distances of the substance to be determined to all calibration substances are determined. The substance to be determined is assigned to the calibration substance with the smallest averaged Mahalanobis distance (GMD). In addition, ANSEL and ANSTAIR values are formed between the smallest GMD and the remaining GMD. The result of the factor space of the four optimal factor spaces with the highest ANSEL value is recorded as the end result. The ANSTAIR value calculated for this can be used to assess the reliability with which the substance to be determined was assigned to one of the calibration substances.

Claims (12)

1. Verfahren zur Auswertung von Spektren eines Spektrometers zur Untersuchung von festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • - Generierung eines universalen Faktorsatzes aus einer möglichst großen Anzahl an Stoffen, die das von der Messvorrichtung verwendete Licht absorbieren. Die Faktoren werden dabei nach der in der Chemometrie an sich bekannten Methode der Faktorzerlegung gewonnen.
  • - Erfassung von Sollspektren
  • - Bestimmung der für die Unterscheidung der zu untersuchenden Stoffe optimalen Universalfaktoren
  • - Verwendung der optimalen Universalfaktoren für die Bestimmung zu untersuchender Stoffe,
  • - wobei die Auswahl der Faktoren automatisch erfolgt.
1. Process for evaluating spectra of a spectrometer for the investigation of solid, liquid and gaseous substances, characterized by the following process steps:
  • - Generation of a universal set of factors from the largest possible number of substances that absorb the light used by the measuring device. The factors are obtained using the method of factor decomposition known per se in chemometry.
  • - Acquisition of target spectra
  • - Determination of the optimal universal factors for the differentiation of the substances to be examined
  • - Use of the optimal universal factors for the determination of substances to be examined,
  • - whereby the selection of the factors takes place automatically.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein einmal bestimmter Satz an universalen Faktoren für sehr viele Anwendungsfälle verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a once determined sentence universal factors is used for many applications. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für alle Messvorrichtungen, die die gleiche elektromagnetische Strahlung verwenden, ein Satz an Universalfaktoren nur ein Mal bestimmt wird und in der Folge für alle sich mit diesen Messvorrichtungen ergebenden Anwendungsfälle verwendet wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for all measuring devices, that use the same electromagnetic radiation, only one set of universal factors Times is determined and subsequently for all those resulting with these measuring devices Use cases is used. 4. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Universalfaktoren in einer bis an die Rauschgrenze der verwendeten Messvorrichtung reichenden Anzahl gewonnen werden.4. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the Universal factors in one up to the noise limit of the measuring device used sufficient numbers can be obtained. 5. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine festzulegende Anzahl "r" an Universalfaktoren bestimmt werden, die für die Bestimmung der zu untersuchenden Stoffe mit nur einem Universalfaktor die besten Ergebnisse liefern. Diese werden dann nacheinander mit einer zu bestimmenden Anzahl "m" an weiteren Universalfaktoren dergestalt kombiniert, dass alle theoretisch möglichen Kombinationen aus den zunächst bestimmten r Universalfaktoren und m weiteren gebildet werden. Die "n" besten Faktorkombinationen werden für die Bestimmung der zu untersuchenden Stoffe verwendet, wobei "n" eine festzulegende Zahl ist.5. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that First, a number "r" of universal factors to be determined is determined, which for the Determination of the substances to be examined with only one universal factor gives the best results deliver. These are then added one after the other with a number "m" to be determined Universal factors combined in such a way that all theoretically possible combinations of the initially determined r universal factors and m others. The "n" best Factor combinations are used to determine the substances to be examined, where "n" is a number to be set. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die vier Universalfaktoren bestimmt werden, die für die Bestimmung der zu untersuchenden Stoffe mit nur einem Universalfaktor das beste Ergebnis liefern. Des weiteren dadurch gekennzeichnet das nacheinander aus diesen vier Universalfaktoren und zwei weiteren Universalfaktoren alle theoretisch möglichen Kombinationen gebildet werden und die vier Faktorkombinationen die am besten für die Bestimmung der zu untersuchenden Stoffe geeignet sind festgehalten werden.6. The method according to claim 5, characterized in that first the four universal factors be determined for the determination of the substances to be investigated with only one Universal factor deliver the best result. Furthermore characterized by that one after the other from these four universal factors and two further universal factors theoretically possible combinations are formed and the four factor combinations the are best suited for the determination of the substances to be examined. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die festgehaltenen optimalen Faktorkombinationen für die Bestimmung zu untersuchender Stoffe verwendet werden. Die Ergebnisse der optimalen Faktorkombinationen werden dabei jeweils bewertet und das Ergebnis der Faktorkombination mit dem besten Ergebnis als Endergebnis bestimmt.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the retained optimal Factor combinations can be used for the determination of substances to be investigated. The Results of the optimal factor combinations are evaluated and the result the factor combination with the best result as the final result. 8. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Bewertung einer Bestimmung von zu untersuchenden Stoffen dadurch vorgenommen wird, dass die Entfernungen der bezüglich der Universalfaktoren ermittelten Faktorgewichte der Stoffe zueinander in Bezug gesetzt werden. Dabei wird während der Kalibration des Verfahrens die Entfernung der Faktorgewichte eines Stoffes untereinander in Bezug gesetzt zu den Entfernungen der Faktorgewichte eines Stoffes zu den Faktorgewichten aller anderer Stoffe. Während der Bestimmung der Spektren eines unbekannten Stoffs, wird die geringste Entfernung der Faktorgewichte des unbekannten Stoffs zu den Faktorgewichten eines der in der Kalibration verwendeten Stoffs in Bezug gesetzt zu den Entfernungen der Faktorgewichte des unbekannten Stoffs zu den Faktorgewichten aller übrigen in der Kalibration verwendeten Stoffe.8. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the Evaluation of a determination of substances to be examined is carried out by the fact that the distances of the factor weights of the substances determined in relation to the universal factors are related to each other. The calibration is carried out during the process Removal of the factor weights of a substance in relation to each other  Distances of the factor weights of one substance to the factor weights of all other substances. When determining the spectra of an unknown substance, the shortest distance the factor weights of the unknown substance to the factor weights of one of those in the calibration used substance related to the distances of the factor weights of the unknown Substance to the factor weights of all other substances used in the calibration. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Entfernungsmass die an sich bekannte Mahalanobis-Distanz verwendet wird.9. The method according to claim 8, characterized in that as a distance measure per se known Mahalanobis distance is used. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertung einer Bestimmung von zu untersuchenden Stoffen mittels der Andrassy-Selektivität geleistet wird.10. The method according to claim 8, characterized in that the evaluation of a determination of substances to be examined is performed using the Andrassy selectivity. 11. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschärfe des Endergebnisses bewertet wird.11. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the Selectivity of the final result is assessed. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschärfe des Endergebnisses mittels des ANSTAIR-Werts bewertet wird.12. The method according to claim 11, characterized in that the selectivity of the Final result is assessed using the ANSTAIR value.
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DE102009028295A1 (en) * 2009-07-31 2011-02-17 Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik mbH + Co. KG Method for determining a parameter, in particular the chemical oxygen demand (COD) or the total organic carbon content (TOC), of a liquid sample

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