DE102017210548A1 - Dickenunabhängige spektroskopische Analyse von Betriebsstoffen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Vergleich einer ersten Probe (1) mit einer zweiten Probe (2) hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung, wobei mindestens ein an der ersten Probe (1) gemessenes erstes Spektrum t(f) und mindestens ein an der zweiten Probe gemessenes zweites Spektrum t(f) vorliegen, wobei beide Spektren t(f), t(f) durch Bestrahlung (110) der jeweiligen Probe (1, 2) mit elektromagnetischer Strahlung (3) und frequenzabhängige Messung (120) der Intensität (3b) eines Anteils (3a) der Strahlung (3), der eine Strecke innerhalb der Probe (1, 2) zurückgelegt hat, erhalten wurden, mit folgenden Schritten:es wird eine frequenzabhängige Vergleichsgröße (4) gebildet (130), welche das Verhältnis eines Logarithmus des ersten Spektrums t(f) zu einem Logarithmus es zweiten Spektrums t(f), und/oder die Differenz zwischen einem Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des ersten Spektrums t(f) und einem Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des zweiten Spektrums t(f), enthält;aus einem frequenzabhängigen Anteil (4a) der Vergleichsgröße (4) wird die Ähnlichkeit (5) der ersten Probe (1) zur zweiten Probe (2) hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung ausgewertet (140).Zugehöriges Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Betriebsstoffs (7), Verfahren zur Ermittlung einer Spezifikation (8, 9) für die Ähnlichkeit der chemischen Zusammensetzung einer zweiten Probe (2) zu mindestens einer ersten Probe (1) sowie Computerprogrammprodukt.

Description

• Die Erfindung betrifft Verfahren zur Untersuchung, Überwachung und Spezifikation der chemischen Zusammensetzung von Betriebsstoffen.
• Die chemische Zusammensetzung von Betriebsstoffen lässt sich durch Spektroskopie mit elektromagnetischer Strahlung analysieren. Jedes chemische Element und jedes Molekül absorbiert die Strahlung auf bestimmten Frequenzen, die zu seinen Anregungszuständen korrespondieren, besser als auf anderen Frequenzen. Ein Spektrum der Absorption oder auch Reflexion über einen hinreichend breiten Frequenzbereich ist somit für die chemische Zusammensetzung des Betriebsstoffs charakteristisch wie ein Fingerabdruck.
• Derartige Untersuchungen können beispielsweise für die Kontrolle des Zustands, und/oder der Qualität, des Betriebsstoffs genutzt werden. So ist beispielsweise aus der WO 2009/080 049 A1 bekannt, die Eigenschaften von Ölen aus Fluoreszenz- oder Nahinfrarot-Spektren auszuwerten.
• Wenn bei der Aufnahme des Spektrums die Strahlung den Betriebsstoff durchdringt, so ist das Spektrum nicht nur von der chemischen Zusammensetzung des Betriebsstoffs abhängig, sondern auch in hohem Maße von der Dicke der durchstrahlten Probe. An unterschiedlich dicken Proben gemessene Spektren sind schlecht quantitativ vergleichbar.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese quantitative Vergleichbarkeit zu verbessern. Hierzu schlägt die Erfindung ein Vergleichsverfahren, ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Betriebsstoffs sowie ein Verfahren zur Ermittlung einer Spezifikation für die Ähnlichkeit zweier Stoffe vor.
• Das Verfahren zum Vergleich einer ersten Probe mit einer zweiten Probe hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung startet ausgehend von einem an der ersten Probe gemessenen ersten Spektrum t₁(f) und mindestens ein an der zweiten Probe gemessenen zweiten Spektrum t₂(f). Beide Spektren t₁(f), t₂(f) wurden durch Bestrahlung der jeweiligen Probe mit elektromagnetischer Strahlung und frequenzabhängige Messung der Intensität eines Anteils der Strahlung, der eine Strecke innerhalb der Probe zurückgelegt hat, erhalten.
• Die Strahlung kann vorteilhaft Infrarotstrahlung sein, beispielsweise mit Wellenzahlen aus einem Bereich zwischen 450 und 4000 cm^-1. In diesem Bereich haben die meisten organischen Substanzen charakteristische Absorptionslinien, die gemeinsam einen „Fingerabdruck“ für die jeweilige Substanz bilden. Das Grundprinzip der Erfindung ist jedoch nicht auf die Strahlungsart beschränkt. Es ist lediglich erforderlich, dass die Strahlung eine bestimmte Strecke innerhalb der Probe zurücklegt, d.h., dass sie zumindest bis in eine gewisse Tiefe in das Material der Probe eindringen kann. Somit sind umgekehrt auch das Material und der Aggregatzustand der Probe nicht a priori eingeschränkt. Die Probe kann beispielsweise eine flüssige oder gasförmige organische Substanz enthalten, aber auch einen Feststoff wie beispielsweise Gummi. Zu jeder Probe gibt es die passende Strahlungsart, insbesondere hinsichtlich der Frequenz f, mit der ihr „Fingerabdruck“ studiert werden kann.
• Die Strahlung legt nicht nur dann eine Strecke innerhalb der Probe zurück, wenn das Spektrum t₁(f), t₂(f) in Transmission gemessen wird. Vielmehr beruhen auch Messungen in abgeschwächter Totalreflexion (attenuated total reflectance, ATR) im Kern darauf, dass die Strahlung ein- oder mehrmals bis in eine bestimmte Tiefe in die Probe eintritt und wieder aus der Probe austritt, denn genau auf der innerhalb der Probe zurückgelegten Strecke findet diejenige Abschwächung statt, die diesen Verfahren ihren Namen gibt. Ein wesentlicher Unterschied zu Messungen in Transmission liegt darin, dass die innerhalb der Probe zurückgelegte Strecke der Strahlung durch die Geometrie des Spektrometers vorgegeben und wesentlich geringer ist als beim vollständigen Durchqueren einer ausgedehnten Probe.
• Es wird eine frequenzabhängige Vergleichsgröße gebildet, welche das Verhältnis eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) zu einem Logarithmus des zweiten Spektrums t₂(f), und/oder die Differenz zwischen einem Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) und einem Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des zweiten Spektrums t₂(f), enthält.
• Dabei ist es unerheblich, zu welcher Basis die Logarithmen berechnet werden. Die Logarithmen des ersten Spektrums t₁(f) und des zweiten Spektrums t₂(f) müssen nicht einmal zwingend zur gleichen Basis berechnet werden, denn Logarithmen zu verschiedenen Basen unterscheiden sich nur um einen konstanten Faktor.
• Jedes Spektrum t₁(f), t₂(f) ist als eine kontinuierliche oder diskrete Funktion anzusehen, die einer Frequenz f einen Zahlenwert zuordnet, der die Antwort der Probe auf Strahlung dieser Frequenz f verkörpert. Diese Funktion muss nicht für alle Frequenzen f erklärt sein, sondern lediglich für diejenigen Frequenzen f, die für die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung relevant sind. Unter dem Logarithmus eines Spektrums t₁(f), t₂(f) ist somit eine kontinuierliche oder diskrete Funktion zu verstehen, die jeder Frequenz f den Logarithmus desjenigen Zahlenwerts zuordnet, den das Spektrum t₁(f), t₂(f) dieser Frequenz f zuordnet.
• Aus einem frequenzabhängigen Anteil der Vergleichsgröße wird die Ähnlichkeit der ersten Probe zur zweiten Probe hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung ausgewertet.
• Wenn elektromagnetische Strahlung eine Strecke innerhalb der Probe zurücklegt und teilweise absorbiert wird, so steigt der absorbierte Anteil nach dem Lambert-Beer'schen Gesetz exponentiell mit dem Produkt aus dem von der Frequenz f abhängigen Absorptionskoeffizienten und der zurückgelegten Strecke. Das bedeutet, dass beim Übergang von einer dünnen Probe zu einer um einen Faktor p dickeren Probe das an der dicken Probe gemessene Transmissionsspektrum t₂(f) die p-te Potenz des an der dünneren Probe mit gleicher chemischer Zusammensetzung gemessenen Transmissionsspektrums t₁(f) ist: $$t_2\left(f\right)={\left(t_1\left(f\right)\right)}^p.$$

  
• Die Werte von t₁(f), bzw.t₂(f), geben jeweils an, welcher Anteil der eingestrahlten Intensität die Probe passiert hat. Sie liegen zwischen 0 (vollständige Absorption) und 1 (vollständige Transmission). Beide Grenzwerte werden in realen Spektren t₁(f), t₂(f) in der Regel nicht erreicht. Das bedeutet, dass Logarithmen von t₁(f) und t₂(f) zumindest für die meisten Frequenzen f existieren und ungleich 0 sind. Frequenzen, für die dies nicht der Fall ist, können für das weitere Verfahren unberücksichtigt bleiben.
• Ist die Probe ein Gas in einem Behälter, trägt nicht nur die Probendicke zu dem Exponenten p bei, sondern auch die durch den Druck vorgegebene Massendichte. Werden gedanklich die Moleküle aus dem kompletten Volumen der Probe auf die Oberfläche projiziert, auf die die elektromagnetische Strahlung auftrifft, so kann p also ganz allgemein als ein Maß für die Moleküldichte pro cm² angesehen werden, die sich dann auf der bestrahlten Oberfläche einstellt. Die Probendicke gibt vor, aus wie vielen hintereinander gestellten Ebenen die Moleküle auf die Oberfläche projiziert werden, während die Massendichte die Dichte der Moleküle auf jeder dieser Ebenen vorgibt. p kann somit als Verhältnis der für die beiden Proben jeweils gebildeten Produkte von Probendicke und Massendichte angesehen werden.
• Logarithmieren von Gleichung (1) ergibt: $$\text{log}\left(t_2\left(f\right)\right)=p\cdot \text{log}\left(t_1\left(f\right)\right)\iff \frac{\text{log}\left(t_2\left(f\right)\right)}{\text{log}\left(t_1\left(f\right)\right)}=p.$$

  
• Wird das Verhältnis der Logarithmen beider Spektren t₁(f), t₂(f), also für jede Frequenz f das Verhältnis der Logarithmen der in beiden Spektren t₁(f), t₂(f) dieser Frequenz zugeordneten Werte, als Vergleichsgröße gewählt, so wird diese Vergleichsgröße durch eine Zunahme der Probendicke um den Faktor p lediglich um den frequenzunabhängigen Faktor p geändert. Weichen hingegen die chemischen Zusammensetzungen beider Proben voneinander ab, führt dies zu einer frequenzabhängigen Änderung der Vergleichsgröße. Somit bewirkt das Logarithmieren, dass Änderungen der Vergleichsgröße, die von einer veränderten chemischen Zusammensetzung herrühren, klar von solchen Änderungen unterschieden werden können, die lediglich von einer Änderung der Probendicke herrühren.
• Dies erleichtert und verbessert den Vergleich der chemischen Zusammensetzungen zweier Proben anhand der beiden Spektren t₁(f), t₂(f) erheblich. Die Probendicke, also die Strecke, die die verwendete Strahlung innerhalb der Probe zurücklegt, ist von Spektrometer zu Spektrometer unterschiedlich. Es ist auch nicht praktikabel, die Probendicke zu normen, um eine Vergleichbarkeit von Spektren t₁(f), t₂(f) herzustellen. Die einzelnen Absorptionspeaks sind häufig mit sehr stark unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten behaftet und somit in den Spektren t₁(f), t₂(f) sehr stark unterschiedlich ausgeprägt. Wenn bei der Messung ein sehr stark ausgeprägter Absorptionspeak im Detail aufgelöst werden soll, wird sinnvollerweise eine dünne Probendicke gewählt, damit noch eine auswertbare Strahlungsintensität durch die Probe hindurchtritt. Soll ein nur schwach ausgeprägter Absorptionspeak studiert werden, so ist eine wesentlich größere Probendicke sinnvoll, um die Absorption auf ein auswertbares Maß zu erhöhen. Es ist somit unausweichlich, dass Spektren t₁(f), t₂(f) in der Praxis mit einer Vielzahl unterschiedlicher Probendicken gemessen werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht es, die chemischen Zusammensetzungen zweier Proben anhand zugehöriger Spektren t₁(f), t₂(f) unbeeinflusst von den bei der Aufnahme der Spektren t₁(f), t₂(f) vorliegenden unterschiedlichen Probendicken miteinander zu vergleichen.
• Dies ist insbesondere in Situationen vorteilhaft, in denen die erste Probe nicht mehr physisch zur Verfügung steht, um ein neues Spektrum t₁(f), t₂(f) mit einer neuen Probendicke aufzunehmen.
• So wird beispielsweise bei der Herstellung von Schmierstoffen der Übergang vom Prototypen zur Serienproduktion häufig vollzogen, indem nach erfolgreichem Test einer prototypisch hergestellten Charge deren chemische Zusammensetzung als Soll-Zusammensetzung für die Serienproduktion festgeschrieben wird. Um in der laufenden Produktion die Übereinstimmung mit dieser Soll-Zusammensetzung kontrollieren zu können, wird an einer Probe der prototypischen Charge ein Referenzspektrum t₁(f) aufgenommen. Für die laufende Qualitätskontrolle werden an Proben, die der Produktion entnommen werden, ebenfalls Spektren t₂(f) aufgenommen. Liegen diese Spektren in einem vorgegebenen Toleranzband um das Referenzspektrum t₂(f), gilt die Zusammensetzung der entsprechenden Produktionscharge als identisch mit der Soll-Zusammensetzung. Wenn nun beispielsweise ein an der prototypischen Charge bestimmter Peak in der Produktionscharge eine falsche Höhe hat oder sogar ganz fehlt, ist das ein Zeichen dafür, dass der Anteil einer bestimmten Komponente in dem Schmierstoff nicht korrekt ist. Es kann aber auch beispielsweise die Produktionscharge einen Peak zeigen, der in dem Referenzspektrum t₁(f) nicht vorhanden ist. Dies ist ein Zeichen für eine Kontamination des Schmierstoffs mit einem Fremdstoff.
• Diese Qualitätskontrolle ist so lange zuverlässig, wie die Möglichkeit besteht, Spektren t₂(f) mit der gleichen Probendicke aufzunehmen, mit der auch das Referenzspektrum t₁(f) aufgenommen wurde. Wenn nun beispielsweise das Spektrometer gegen ein neueres Modell ausgetauscht werden muss oder der Schmierstoff von einem anderen Zulieferer bezogen wird, der ein anderes Spektrometer verwendet und mit einer anderen Probendicke misst, wäre es nach dem bisherigen Stand der Technik nötig gewesen, auch das Referenzspektrum t₁(f) noch einmal mit der neuen Probendicke aufzunehmen. Tritt eine solche Situation aber erst mehrere Jahre nach dem Start der Serienproduktion ein, so existiert möglicherweise keine Probe von der prototypischen Charge mehr. Wenn noch eine Probe existiert, so kann sie sich durch Alterungsprozesse chemisch verändert haben, beispielsweise wenn der Schmierstoff hygroskopisch ist und mit der Zeit Wasser aus der Luftfeuchtigkeit aufnimmt. Ein an einer solchen Probe aufgenommenes Referenzspektrum ist für die Qualitätskontrolle unbrauchbar.
• Indem die Erfindung einen Vergleich der chemischen Zusammensetzung unabhängig von der Probendicke ermöglicht, bleibt das ursprünglich an der prototypischen Charge aufgenommene Referenzspektrum t₁(f) permanent nutzbar. Die laufende Qualitätskontrolle ist nicht mehr daran gebunden, dass es noch eine Probe der prototypischen Charge gibt und dass sich diese noch im Originalzustand befindet.
• Weiterhin ist es für bestimmte Arten von Proben von vornherein technisch schwierig, Proben mit reproduzierbarer Dicke herzustellen. Bei diesen Proben ist es besonders vorteilhaft, wenn gemäß der Erfindung der Vergleich von der Probendicke entkoppelt ist.
• Ist die Probe beispielsweise ein Kunststoff oder ein Gummi, so absorbiert sie elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und nahen Infrarotbereich so stark, dass sie sehr dünn gefertigt werden muss, damit sie noch einen auswertbaren Anteil der Strahlung durchlässt. Je dünner die geforderte Probendicke ist, desto schwieriger ist es, diese Dicke reproduzierbar mechanisch zu fertigen und desto größer wird der diesbezügliche relative Fehler bei vorgegebener absoluter Genauigkeit der mechanischen Bearbeitung.
• Ist die Probe beispielsweise eine Farbe, so ist häufig deren chemische Zusammensetzung nach dem Trocknen bzw. Aushärten zu studieren. Die Farbe wird hierzu auf ein Substrat aufgebracht, auf dem sie schlecht haftet, damit die Schicht nach dem Aushärten abgezogen werden kann. Die Probendicke stellt sich durch das Trocknen bzw. Aushärten ein und kann im Nachhinein nicht mehr geändert werden. Die Probendicke hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie etwa vom Lösemittelgehalt der Farbe vor dem Aushärten, vom Massenstrom durch die verwendete Sprühpistole und von der Geschwindigkeit, mit der die Sprühpistole über die Oberfläche des Substrats geführt wird. Es ist sehr schwierig, die Parameter des Farbauftrags im Vorhinein so einzustellen, dass sich nach dem Trocknen bzw. Aushärten eine Dicke in einem engen Toleranzbereich, beispielsweise zwischen 340 µm und 360 µm, einstellt.
• Wenn die Probe ein in einem Behälter eingeschlossenes Gas ist, dann ist der Druck des Gases in dem Behälter maßgeblich für dessen Dichte. Eine Änderung des Drucks bewirkt eine Änderung der Massendichte der Probe und ändert ihre Transmission in ähnlicher Weise wie eine Änderung der Probendicke. Somit macht die Erfindung den Vergleich der chemischen Zusammensetzung zweier gasförmiger Proben unabhängig von den jeweiligen Drücken.
• Die Erfindung verbessert in analoger Weise auch ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Betriebsstoffs, wobei mindestens ein erstes zu einem Referenzzeitpunkt an einer ersten Probe des Betriebsstoffs gemessenes erstes Spektrum t₁(f) und mindestens ein zweites zu einem Beobachtungszeitpunkt an einer zweiten Probe des Betriebsstoffs gemessenes zweites Spektrum t₂(f) vorliegen und wobei beide Spektren t₁(f), t₂(f) durch Bestrahlung der jeweiligen Probe mit elektromagnetischer Strahlung und frequenzabhängige Messung der Intensität eines Anteils der Strahlung, der eine Strecke innerhalb der Probe zurückgelegt hat, erhalten wurden.
• Es wird wiederum eine frequenzabhängige Vergleichsgröße gebildet, welche das Verhältnis eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) zu einem Logarithmus es zweiten Spektrums t₂(f), und/oder die Differenz zwischen einem Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) und einem Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des zweiten Spektrums t₂(f), enthält.
• Aus einem frequenzabhängigen Anteil der Vergleichsgröße wird eine Zustandsgröße des Betriebsstoffs ausgewertet.
• Die Abnutzung von Betriebsstoffen in Maschinen ist vielfach abhängig von den Betriebsbedingungen. So ist beispielsweise bekannt, dass Motoröl schneller altert, wenn der Motor häufig mit hohen Drehzahlen betrieben und auf Kurzstrecken eingesetzt wird. Das Motoröl wird wirtschaftlich am besten ausgenutzt, wenn es genau zu dem Zeitpunkt gewechselt wird, zu dem seine Lebensdauer erschöpft ist. Bislang wird ein nach Kilometern vorgegebenes Wechselintervall durch Messwerte verschiedener Sensoren und Informationen aus der Motorsteuerung dahingehend modifiziert, dass Schätzwerte für eine erhöhte Abnutzung ermittelt werden und ein entsprechender „Malus“ von den verbleibenden Kilometern des Wechselintervalls abgezogen wird.
• Bei größeren Anlagen, wie beispielsweise Windkraftanlagen, ist die zeitliche Planung des Wechsels von Betriebsstoffen, wie beispielsweise Schmierstoffen, noch deutlich relevanter für die Wirtschaftlichkeit. So ermöglicht eine präzise Vorhersage der noch verbleibenden Lebensdauer des Betriebsstoffe beispielsweise eine Abwägung, bei welchem turnusmäßigen Wartungsbesuch der Wechsel sinnvollerweise vorgenommen wird, um zu vermeiden, dass der Verbrauch des Betriebsstoffs einen außerplanmäßigen Wartungsbesuch erforderlich macht.
• Indem die Erfindung die Erkennung von chemischen Veränderungen unabhängig von einer Veränderung der Probendicke erlaubt, ist es nun beispielsweise möglich, das erste Spektrum t₁(f) zum Referenzzeitpunkt vom Hersteller des Betriebsstoffs aufzunehmen. So kann beispielsweise in einem Motorsteuergerät, das die Aufnahme des zweiten Spektrums t₂(f) zum Beobachtungszeitpunkt veranlasst, für jede freigegebene Ölsorte ein Referenzspektrum t₁(f) hinterlegt sein. Dadurch können mehr Fehlerzustände erkannt werden als wenn das Referenzspektrum t₁(f) immer auch an dem Ölkreislauf aufgenommen werden müsste, in dem das Öl verwendet wird. So kann beispielsweise erkannt werden, dass das falsche Öl oder gar fälschlicherweise ein anderer Betriebsstoff als Öl eingefüllt wurde. Es kann auch erkannt werden, dass der Ölkreislauf mit einer Fremdsubstanz kontaminiert ist.
• In analoger Weise lässt sich auch beispielsweise das Kraftstoffsystem überwachen, um etwa eine Betankung mit der falschen Kraftstoffsorte oder Kraftstoffqualität zu erkennen. Beispielsweise kann der Start eines Dieselmotors mit auch nur einem geringen Benzinanteil die sofortige Zerstörung der Hochdruckpumpe und nachfolgend einen kapitalen Motorschaden zur Folge haben. Dieser Schaden kann verhindert werden, indem bei einer zu großen Abweichung der chemischen Zusammensetzung des Kraftstoffs von einer Soll-Zusammensetzung ein Motorstart unterbunden wird.
• Auch der Zustand der Bremsflüssigkeit lässt sich in analoger Weise überwachen. Deren Alterung ist unter anderem davon abhängig, welchem Zeit-Temperatur-Profil sie im Fahrzeugbetrieb ausgesetzt ist. Hinzu kommt, dass die Bremsflüssigkeit zwangsläufig hygroskopisch sein muss, damit sich niemals freies Wasser im Bremssystem befinden kann. Ab einem kritischen Wassergehalt muss die Bremsflüssigkeit gewechselt werden, um einen Totalausfall der Bremse durch Dampfblasenbildung zu vermeiden.
• Somit wird insgesamt vorteilhaft ein Kraftstoff, ein Schmierstoff oder ein hydraulisches Arbeitsmedium als Betriebsstoff gewählt.
• Unabhängig von der Art des Betriebsstoffs kann beispielsweise aus der Abnahme einer Frequenzkomponente der Vergleichsgröße für eine Frequenz f, die zum charakteristischen Absorptionsspektrum einer Komponente des Betriebsstoffs für die Strahlung gehört, auf eine chemische Veränderung, und/oder den Verbrauch, der Komponente des Betriebsstoffs geschlossen werden. Dies kann beispielsweise eine Komponente eines Schmierstoffs sein, die bei der Erfüllung der Schmierfunktion besonders beansprucht wird.
• Alternativ oder in Kombination kann beispielsweise aus der Zunahme einer Frequenzkomponente der Vergleichsgröße für eine Frequenz f, die nicht zum charakteristischen Absorptionsspektrum einer Komponente des Betriebsstoffs für die Strahlung gehört, auf eine chemische Veränderung, und/oder auf eine Kontamination, des Betriebsstoffs geschlossen werden. Eine solche Kontamination kann beispielsweise durch Abrieb, durch Korrosion oder durch eine chemische Reaktion des Betriebsstoffs mit Teilen, durch die er geführt wird, entstehen.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden in der Vergleichsgröße Frequenzen f, deren zugehörige Komponenten im ersten Spektrum t₁(f), und/oder im zweiten Spektrum t₂(f), außerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegen, untergewichtet. Diese Frequenzen f können insbesondere ganz ausgeblendet werden. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass der Logarithmus sehr große oder sehr kleine Werte annimmt, so dass das Verfahren insgesamt numerisch robuster wird. Beispielsweise können lediglich Frequenzen f berücksichtigt werden, für die die Transmission t im Bereich zwischen 0,01 und 0,99, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,95, liegt.
• Das Separieren der Vergleichsgröße in einen frequenzunabhängigen Beitrag, der auf unterschiedliche Probendicken zurückgeht, und einen frequenzabhängigen Beitrag, der auf die Änderung der chemischen Zusammensetzung zurückgeht, lässt sich durch Verwendung doppelter Logarithmen noch weiter vereinfachen.
• Reale Spektren t₁(f), t₂(f) werden immer mit Rauschen behaftet sein, wobei davon ausgegangen werden kann, dass das Integral dieses Rauschens über einen hinreichend breiten Frequenzbereich nahe Null ist. Unter dieser Annahme lassen sich in Erweiterung von Gleichung (1) der Beitrag des Rauschens einerseits und der Beitrag einer veränderten chemischen Zusammensetzung andererseits zum Unterschied zwischen zwei Spektren t₁(f) und t₂(f) wie folgt in einem Faktor q zusammenfassen: $$t_2\left(f\right)={\left(t_1\left(f\right)\right)}^{p\cdot q\left(f\right)}.$$

  
• Hierin ist q(f) frequenzabhängig und im Mittel über einen hinreichend breiten Frequenzbereich gleich 1, wenn die Spektren t₁(f) und t₂(f) an Proben mit identischer chemischer Zusammensetzung aufgenommen wurden.
• Logarithmieren von Gleichung (3) ergibt: $$\text{log}\left(t_2\left(f\right)\right)=p\cdot q\left(f\right)\cdot \text{log}\left(t_1\left(f\right)\right),$$

  

  und nach Betragsbildung und nochmaligem Logarithmieren ergibt sich $$\text{log}\left|\text{log}\left(t_2\left(f\right)\right)\right|-\text{log}\left|\text{log}(t_1\left(f\right)\right|=\text{log}\left(p\right)+\text{log}\left(q\left(f\right)\right).$$

  
• In dieser Darstellung sind der von p herrührende frequenzunabhängige Beitrag und der von q(f) herrührende frequenzabhängige Beitrag zum Unterschied zwischen den Spektren t₁(f) und t₂(f) Summanden. Der frequenzabhängige Anteil log(q(f)) lässt sich im Hinblick auf die Ähnlichkeit der chemischen Zusammensetzungen von erster Probe und zweiter Probe auswerten.
• In Gleichung (5) kann nun beispielsweise noch die Vergleichsgröße auf der linken Seite wie folgt um gewichtete Mittel zweifacher Logarithmen der beiden Spektren t₁(f), t₂(f) korrigiert werden: $$\begin{array}{l}\text{log}\left|\text{log}\left(t_2\left(f\right)\right)\right|-\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)\cdot \text{log}\left|\text{log}\left(t_2\left(f_i\right)\right)\right|}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)}}-\\ -\text{log}\left|\text{log}(t_1\left(f\right)\right|+\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)\cdot \text{log}\left|\text{log}\left(t_1\left(f_i\right)\right)\right|}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)}}=\text{log}\left(p\right)+\text{log}\left(q\left(f\right)\right)\end{array}$$

  

  mit frequenzabhängigen Gewichtungsfaktoren g(f_i). Diese Gewichtungsfaktoren g(f_i) lassen sich beispielsweise verwenden, um bestimmte Frequenzen f aus der Vergleichsgröße auszublenden. Sie lassen sich aber beispielsweise auch verwenden, um bestimmte Frequenzbereiche, die für die Unterscheidung zwischen bestimmten Materialien besonders relevant sind, hervorzuheben.
• Auf Grund von Gleichung (5) lässt sich das erste gewichtete Mittel in Gleichung (6), das aus Frequenzkomponenten t₂(f) des zweiten Spektrums t₂(f) gebildet ist, in Frequenzkomponenten t₁(f_i ) des ersten Spektrums t₁(f) ausdrücken: $$\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)\cdot \text{log}\left|\text{log}\left(t_2\left(f_i\right)\right)\right|}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)}}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)\cdot \text{log}\left|\text{log}\left(t_1\left(f_i\right)\right)\right|}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)}}+\text{log}\left(p\right)+\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)\cdot \text{log}\left(q\left(f_i\right)\right)}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)}}.$$

  
• Einsetzen in Gleichung (6) ergibt: $$\begin{array}{l}\text{log}\left|\text{log}\left(t_2\left(f\right)\right)\right|-\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)\cdot \text{log}\left|\text{log}\left(t_2\left(f_i\right)\right)\right|}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)}}-\\ -\text{log}\left|\text{log}(t_1\left(f\right)\right|+\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)\cdot \text{log}\left|\text{log}\left(t_1\left(f_i\right)\right)\right|}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)}}=\text{log}\left(g\left(f\right)\right)-\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)\cdot \text{log}\left(q\left(f_i\right)\right)}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)}}\end{array}$$

  
• Die auf der linken Seite von Gleichung (8) definierte frequenzabhängige Vergleichsgröße hat also nur noch frequenzabhängige Beiträge, die auf das Rauschen, bzw. auf Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der beiden Proben, zurückgehen. Der Faktor p, der den Unterschied in den Probendicken repräsentiert, taucht nicht mehr auf.
• Wenn die chemischen Zusammensetzungen beider Proben identisch sind und q(f) nur Rauschen enthält, vereinfacht sich Gleichung (8) weiter. Das gewichtete Mittel des Rauschens auf der rechten Seite von Gleichung (8) ist definitionsgemäß nahe Null. Mit anderen Worten, wenn zwei an Proben mit gleicher chemischer Zusammensetzung aufgenommene Spektren t₁(f) und t₂(f) jeweils gemäß der Vorschrift $$T\left(f\right)=T\left(t\left(f\right)\right)=\text{log}\left|\text{log}\left(t\left(f\right)\right)\right|-\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)\cdot \text{log}\left|\text{log}\left(t\left(f\right)\right)\right|}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}g\left(f_i\right)}}$$

  

  zu Transformationen T₁(f) und T₂(f) verarbeitet werden, dann ist die Differenz $$T_2\left(f\right)-T_1\left(f\right)=\text{log}\left(q\left(f\right)\right)$$

  

  für jede Frequenz f gleich dem lokalen Wert der Rauschfunktion q(f) für diese Frequenz f.
• Diese Eigenschaft kann in einem Verfahren zur Ermittlung einer Spezifikation für die Ähnlichkeit der chemischen Zusammensetzung einer zweiten Probe zu mindestens einer ersten Probe genutzt werden. Das Verfahren geht davon aus, dass mindestens ein an der ersten Probe gemessenes erstes Spektrum t₁(f) vorliegt, welches durch Bestrahlung der ersten Probe mit elektromagnetischer Strahlung und frequenzabhängige Messung der Intensität eines Anteils der Strahlung, der eine Strecke innerhalb der ersten Probe zurückgelegt hat, erhalten wurde.
• Es wird der Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) ermittelt, wobei dieser Logarithmus optional noch um ein gewichtetes Mittel eines Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) über mehrere Frequenzen f korrigiert sein kann (so wie in Gleichung (9) dargestellt). Ein Band, in dem der Logarithmus (bzw. die Transformation T(f) gemäß Gleichung (9), die zusätzlich das gewichtete Mittel enthält) verläuft, wird als Toleranzbereich für den Logarithmus des Betrages eines Logarithmus eines zweiten, an der zweiten Probe gemessenen Spektrums t₂(f) festgelegt. Bei dem Vergleich kann auch dieser Logarithmus mit dem gewichteten Mittel korrigiert sein. Es kann also ein Band, in dem die Transformation T₁(f) des ersten Spektrums t₁(f) verläuft, als Toleranzbereich für eine anhand des zweiten Spektrums t₂(f) ermittelte Transformation T₂(f) festgelegt werden.
• Dabei können zur weiteren Unterdrückung des Rauschens an die Stelle der Spektren t₁(f) und t₂(f) beispielsweise auch Mittelungen aus mehreren nacheinander aufgenommenen Spektren treten.
• Der Toleranzbereich muss nicht zwingend für den Logarithmus, bzw. für die Transformation T(f), selbst erklärt werden. Er kann sich auch auf eine erste oder höhere Frequenzableitung beziehen, um beispielsweise die lokale Steigung oder Krümmung des Spektrums t₁(f), t₂(f) zu erfassen. Auf diese Weise können beispielsweise Spezifikationen bezüglich sehr kleiner Peaks aufgestellt werden, die im Originalspektrum in der Flanke eines wesentlich größeren Peaks verborgen sind.
• Alternativ oder in Kombination hierzu kann auch eine Mindestkorrelation zwischen dem Funktionsverlauf des Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des zweiten Spektrums t₂(f) und dem Funktionsverlauf des Logarithmus des Betrages des Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) festgelegt werden, beispielsweise auf 0,95 oder 0,99. Der Unterschied besteht darin, dass die Festlegung eines Toleranzbereichs für jede Wellenzahl separat eine Übereinstimmung der beiden Spektren t₁(f), t₂(f) fordert, während die Korrelation sich auf den gesamten Frequenzbereich bezieht. Eine geringe Korrelation bei einzelnen Wellenzahlen kann also durch eine erhöhte Korrelation bei anderen Wellenzahlen ausgeglichen werden. Die Korrelation kann beispielsweise in Form des Pearson-Korrelationskoeffizienten berechnet werden.
• Vorteilhaft wird aus dem Toleranzbereich für den Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des zweiten Spektrums t₂(f) ein Toleranzbereich für das zweite Spektrum t₂(f) ausgewertet. Dieser Toleranzbereich ist für den Bediener des Spektrometers, mit dem das zweite Spektrum t₂(f) aufgenommen wird, unmittelbar einsichtig. So ist beispielsweise ersichtlich, dass die untersuchte Probe von einer bestimmten Komponente zu wenig enthält oder die Hinzufügung der Komponente ganz vergessen wurde. Der Fehler kann dann möglicherweise noch korrigiert werden, ohne dass die ganze Produktionscharge zu verwerfen wäre.
• Vorteilhaft wird ein Öl, ein Fett, eine Farbe, eine Seife, ein Klebstoff oder ein Schmierstoff als erste Probe gewählt. Hierbei handelt es sich um Produkte, deren ordnungsgemäße Funktion in besonderem Maße von der Einstellung eines bestimmten Mischungsverhältnisses verschiedener Komponenten abhängt.
• Nach dem zuvor Beschriebenen ist bei Farben weiterhin die Probendicke schwer reproduzierbar einzustellen. Aus dem gleichen Grund kann vorteilhaft auch ein Gummi oder ein Kunststoff als erste Probe gewählt werden.
• Die Verfahren gemäß der Erfindung können insbesondere von einem Computer ausgeführt werden, der die Spektren t₁(f), t₂(f) als Eingabe erhält. Somit können die Verfahren insbesondere in Software implementiert sein. Die entsprechende Software ist insofern ein eigenständig verkaufsfähiges Produkt. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogrammprodukt mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen.
• Anhand der im Folgenden erläuterten Figuren werden verschiedene Ausführungsbeispiele und Details der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung zweier Transmissionsspektren t₁(f) und t₂(f), die an Proben mit stark unterschiedlichen Dicken aufgenommen wurden,
• 2 eine schematische Darstellung dreier Transmissionsspektren t₁(f), t₂(f) und t₃(f), die an chemisch identischen Proben mit nur leicht unterschiedlichen Dicken aufgenommen wurden (2a), sowie eine schematische Darstellung der gemäß Gleichung (9) ermittelten Transformationen T₁(f), T₂(f) und T₃(f) der Spektren t₁(f), t₂(f) und t₃(f) (2b),
• 3 die weitere Verarbeitung der Transformationen T₁(f), T₂(f) und T₃(f) zu Differenzdarstellungen ΔT₁(f), ΔT₂(f) und ΔT₃(f) durch Subtrahieren des Durchschnitts der Transformationen T₁(f), T₂(f) und T₃(f), Festlegung eines Toleranzbandes 8 für die Differenzdarstellungen,
• 4 die Rückrechnung des Toleranzbandes 8 in einen Toleranzbereich 8a für ein konkretes Spektrum t₁(f),
• 5 die Auswirkung einer beispielhaften Änderung der chemischen Zusammensetzung auf das in 1 gezeigte Spektrum t₁(f),
• 6 die Auswirkung der in 5 verdeutlichten Änderung auf die in 3 gezeigte Differenzdarstellung ΔT₁(f), und
• 7 eine zusammenfassende schematische Darstellung der Verfahren gemäß der Erfindung.
• 1 verdeutlicht das der Erfindung zu Grunde liegende Problem. Über der Frequenz f sind Spektren t₁(f), t₂(f) der Transmission t von elektromagnetischer Strahlung 3 durch zwei Proben 1, 2 mit identischer chemischer Zusammensetzung aufgetragen. Die zweite Probe 2 ist doppelt so dick wie die erste Probe 1. Dies hat im Vergleich der beiden Spektren t₁(f), t₂(f) die Wirkung, dass die Transmission insgesamt deutlich geschwächt wird und die beiden in 1 beispielhaft eingezeichneten Absorptionspeaks A und B jeweils deutlich verstärkt werden. Der Absorptionspeak A, der im ersten Spektrum t₁(f) nur sehr schwach erkennbar ist, wächst im zweiten Spektrum t₂(f) so an, dass er im Detail aufgelöst werden kann. Der im ersten Spektrum t₁(f) bereits deutlich stärker ausgeprägte Absorptionspeak B wird im zweiten Spektrum t₂(f) in die Sättigung gefahren und daher an der Linie t=0 teilweise abgeschnitten.
• Der Einfluss der Probendicke auf die Spektren t₁(f), t₂(f) ist so groß, dass kein sinnvolles Toleranzband definiert werden kann, das beide Spektren t₁(f), t₂(f) enthält und zugleich noch schmal genug ist, um eine abweichende chemische Zusammensetzung erkennbar zu machen.
• 2a zeigt Transmissionsspektren t₁(f), t₂(f) und t₃(f), die an nominell chemisch identischen Proben mit nur leicht unterschiedlichen Dicken aufgenommen wurden. „Leicht unterschiedlich“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass drei unterschiedliche Labore den Auftrag erhalten hatten, mit nominell identischen Probendicken zu messen. Die diesbezüglichen Abweichungen zwischen den drei Laboren bewirken bereits deutliche Unterschiede zwischen den drei Spektren t₁(f), t₂(f) und t₃(f). Es wäre im Gegensatz zu 1 zumindest möglich, ein alle drei Spektren t₁(f), t₂(f) und t₃(f) umfassendes Toleranzband anzugeben, das in groben Zügen die chemische Zusammensetzung des Probenmaterials wiedergibt. Jedoch wäre ein solches Toleranzband vergleichsweise breit.
• 2b zeigt im Vergleich hierzu die gemäß Gleichung (9) erhaltenen Transformationen T₁(f), T₂(f) und T₃(f) der Spektren t₁(f), t₂(f) und t₃(f). Die Transformationen T₁(f), T₂(f) und T₃(f) liegen deutlich näher beieinander als die Spektren t₁(f), t₂(f) und t₃(f), weil der Einfluss der unterschiedlichen Probendicken eliminiert wurde. Die verbleibenden Unterschiede zwischen den Transformationen T₁(f), T₂(f) und T₃(f) sind durch Rauschen sowie durch die Toleranzen bei der Herstellung der nominell chemisch identischen Proben verursacht.
• In 3 wurde von den Transformationen T₁(f), T₂(f) und T₃(f) für jede Frequenz f jeweils der Durchschnittswert von T₁(f), T₂(f) und T₃(f) abgezogen. Auf diese Weise wurden die Transformationen T₁(f), T₂(f) und T₃(f) in Differenzdarstellungen ΔT₁(f), ΔT₂(f) und ΔT₃(f) umgewandelt. Für jede Frequenz f ist der Durchschnittswert aller Differenzdarstellungen ΔT₁(f), ΔT₂(f) und ΔT₃(f) Null. Es wurde ein Toleranzbereich 8 festgelegt, innerhalb dessen alle Differenzdarstellungen ΔT₁(f), ΔT₂(f) und ΔT₃(f) verlaufen. Wenn eine neue Probe vermessen wird, sollte die zugehörige Differenzdarstellung ebenfalls innerhalb dieses Toleranzbereiches 8 verlaufen, damit diese Probe als chemisch hinreichend ähnlich zu den für die Erstellung des Toleranzbereiches 8 verwendeten Proben gewertet wird.
• 4 zeigt einen Toleranzbereich 8a für ein konkretes Spektrum t₁(f), der zu dem Toleranzbereich 8 im Raum der Differenzdarstellungen korrespondiert. Im Gegensatz zum Toleranzbereich 8 für die Differenzdarstellungen ist der Toleranzbereich 8a für das Spektrum t₁(f) an die bei der Messung des Spektrums t₁(f) verwendete Probendicke gebunden. Wird die Probendicke beispielhaft verdoppelt, liegt das zugehörige Spektrum t₁*(f) außerhalb des Toleranzbereichs 8a um das Spektrum t₁(f).
• In 5 ist neben dem Spektrum t₁(f) mit zugehörigem Toleranzband 8a aus 4 beispielhaft ein weiteres Spektrum t₁**(f) eingezeichnet, welches sich ergibt, wenn ausgehend von der dem Spektrum t₁(f) zu Grunde liegenden chemischen Zusammensetzung der Gehalt einer Komponente dieser Zusammensetzung leicht erhöht wird (hier: von 10 % auf 12 %). Das Spektrum t₁**(f) verlässt am Absorptionspeak A, der zu der von der Änderung betroffenen Komponente der Zusammensetzung korrespondiert, den Toleranzbereich 8a um das Spektrum t₁(f). Dies ist aber nur dann ersichtlich, wenn Spektren t₁(f) und t₁**(f) mit gleicher Probendicke vorliegen, da der Toleranzbereich 8a im Raum der Spektren t₁(f), t₂(f), t₃(f) an die jeweilige Probendicke gebunden ist.
• 6 zeigt die Auswirkung der in 5 veranschaulichten Änderung der chemischen Zusammensetzung im Raum der Differenzdarstellungen ΔT₁(f), ΔT₂(f) und ΔT₃(f). Neben der zum Spektrum t₁(f) korrespondieren Differenzdarstellung ΔT₁(f) und dem Toleranzbereich 8 aus 3 ist in 6 auch die zum in 5 veranschaulichten Spektrum t₁**(f) korrespondierende Differenzdarstellung ΔT₁**(f) eingezeichnet. Diese Differenzdarstellung ΔT₁**(f) wurde erhalten, indem das Spektrum t₁**(f) zunächst gemäß Gleichung (9) in eine Transformation T₁**(f) umgewandelt und anschließend von dieser Transformation T₁**(f) für jede Frequenz der Durchschnittswert der Transformationen T₁(f), T₂(f) und T₃(f) abgezogen wurde. Am Absorptionspeak A schießt die Differenzdarstellung ΔT₁**(f) deutlich über die obere Grenze des Toleranzbereichs 8 hinaus. Diese Aussage kann unabhängig davon gewonnen werden, mit welchen Probendicken die für die Festlegung des Toleranzbereichs 8 herangezogenen Spektren t₁(f), t₂(f), t₃(f) sowie das an der veränderten Zusammensetzung bestimmte Spektrum t₁**(f) jeweils gemessen wurden.
• 7 zeigt schematisch einen beispielhaften Ablauf der Verfahren gemäß der Erfindung. Die Verfahren gehen jeweils davon aus, dass in Schritt 110 eine erste Probe 1, und gegebenenfalls eine zweite Probe 2, mit elektromagnetischer Strahlung 3 bestrahlt wurde und dass in Schritt 120 die Intensität 3b eines Anteils 3a der Strahlung 3, der eine Strecke innerhalb der Probe 1, 2 zurückgelegt hat, registriert wurde. Sofern der Zustand eines Betriebsstoffs 7 überwacht wird, kann beispielsweise die Probe 1 dem Betriebsstoff 7 zu einem Referenzzeitpunkt 71 entnommen werden, und die Probe 2 kann dem Betriebsstoff zu einem Beobachtungszeitpunkt 72 entnommen werden.
• In Schritt 130 wird aus zu den Proben 1, 2 korrespondierenden Spektren t₁(f) und t₂(f) der Intensität 3b die frequenzabhängige Vergleichsgröße 4 gebildet, welche auf zweierlei Arten verwendet werden kann.
• In Schritt 140 kann aus einem frequenzabhängigen Anteil 4a der Vergleichsgröße 4 die Ähnlichkeit 5 der ersten Probe 1 zur zweiten Probe 2 hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung ausgewertet werden.
• Alternativ oder auch in Kombination hierzu können, sofern die Proben 1, 2 dem zu überwachenden Betriebsstoff 7 entnommen wurden, in Schritt 150 aus dem frequenzabhängigen Anteil 4a der Vergleichsgröße 4 eine oder mehrere Zustandsgrößen 6 des Betriebsstoffs 7 ausgewertet werden.
• Um eine Spezifikation für die Ähnlichkeit der chemischen Zusammensetzung einer zweiten Probe 2 zu der ersten Probe 1 festzulegen, wird nur die erste Probe 1 und ein dazu korrespondierendes Spektrum t₁(f) der Intensität 3b benötigt. Dieses Spektrum t₁(f) wird in Schritt 160 zweifach logarithmiert. Auf dieser Basis wird in Schritt 170 die Spezifikation festgelegt. Es wird gemäß Block 170a ein Toleranzbereich 8 für den doppelten Logarithmus eines an einer zweiten Probe 2 aufzunehmenden Spektrums t₂(f), bzw. für die hieraus gewonnene Transformation T₂(f), festgelegt, und/oder es wird gemäß Block 170b eine Mindestkorrelation festgelegt. Der Toleranzbereich 8 kann optional in Schritt 180 wieder in einen Toleranzbereich 8a um das ursprüngliche Spektrum t₁(f) zurückgerechnet werden, der dann allerdings an eine konkrete Probendicke gebunden ist.
• Bezugszeichenliste

1

erste Probe

2

zweite Probe

3

elektromagnetische Strahlung

3a

Anteil der Strahlung 3, der Strecke in Probe 1, 2 zurücklegt

3b

Intensität des Anteils 3a

4

frequenzabhängige Vergleichsgröße

4a

frequenzabhängiger Anteil der Vergleichsgröße 4

5

Ähnlichkeit der ersten Probe 1 zur zweiten Probe 2

6

Zustandsgröße eines zu überwachenden Betriebsstoffs 7

7

zu überwachender Betriebsstoff

71

Referenzzeitpunkt für Entnahme von Probe 1 des Betriebsstoffs 7

72

Beobachtungszeitpunkt für Entnahme von Probe 2 des Betriebsstoffs 7

8

Toleranzbereich für doppelten Logarithmus

8a

Toleranzbereich für Spektrum

9

Mindestkorrelation

110

Bestrahlung der Probe 1, 2 mit Strahlung 3

120

Messung der Intensität 3b

130

Bildung der frequenzabhängigen Vergleichsgröße 4

140

Auswertung der Ähnlichkeit 5

150

Auswertung der Zustandsgröße 6

160

Ermittlung des doppelten Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f)

170

Ermittlung der Spezifikation

170a

Festlegung des Toleranzbereichs 8

170b

Festlegung der Mindestkorrelation 8a

180

Auswertung des Toleranzbereichs 8a aus dem Toleranzbereich 8

A, B

Absorptionspeaks

f

Frequenz

t_1-3(f)

Spektren

t₁*(f)

Spektrum mit doppelter Probendicke

t₁**(f)

Spektrum mit veränderter chemischer Zusammensetzung

T_1-3(f)

Transformationen der Spektren t_1-3(f)

T₁**(f)

Transformation des Spektrums t₁**(f)

ΔT_1-3(f)

Differenzdarstellungen der Spektren t_1-3(f)

ΔT₁**(f)

Differenzdarstellung des Spektrums t₁**(f)

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2009/080049 A1 [0003]

Claims (12)

1. Verfahren zum Vergleich einer ersten Probe (1) mit einer zweiten Probe (2) hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung, wobei mindestens ein an der ersten Probe (1) gemessenes erstes Spektrum t₁(f) und mindestens ein an der zweiten Probe gemessenes zweites Spektrum t₂(f) vorliegen, wobei beide Spektren t₁(f), t₂(f) durch Bestrahlung (110) der jeweiligen Probe (1, 2) mit elektromagnetischer Strahlung (3) und frequenzabhängige Messung (120) der Intensität (3b) eines Anteils (3a) der Strahlung (3), der eine Strecke innerhalb der Probe (1, 2) zurückgelegt hat, erhalten wurden, gekennzeichnet durch folgende Schritte: es wird eine frequenzabhängige Vergleichsgröße (4) gebildet (130), welche das Verhältnis eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) zu einem Logarithmus es zweiten Spektrums t₂(f), und/oder die Differenz zwischen einem Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) und einem Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des zweiten Spektrums t₂(f), enthält; aus einem frequenzabhängigen Anteil (4a) der Vergleichsgröße (4) wird die Ähnlichkeit (5) der ersten Probe (1) zur zweiten Probe (2) hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung ausgewertet (140).
2. Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Betriebsstoffs (7), wobei mindestens ein erstes zu einem Referenzzeitpunkt (71) an einer ersten Probe (1) des Betriebsstoffs (7) gemessenes erstes Spektrum t₁(f) und mindestens ein zweites zu einem Beobachtungszeitpunkt (72) an einer zweiten Probe (2) des Betriebsstoffs (7) gemessenes zweites Spektrum t₂(f) vorliegen, wobei beide Spektren t₁(f), t₂(f) durch Bestrahlung (110) der jeweiligen Probe (1, 2) mit elektromagnetischer Strahlung (3) und frequenzabhängige Messung (120) der Intensität (3b) eines Anteils (3a) der Strahlung (3), der eine Strecke innerhalb der Probe (1, 2) zurückgelegt hat, erhalten wurden, gekennzeichnet durch folgende Schritte: es wird eine frequenzabhängige Vergleichsgröße (4) gebildet (130), welche das Verhältnis eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) zu einem Logarithmus des zweiten Spektrums t₂(f), und/oder die Differenz zwischen einem Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) und einem Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des zweiten Spektrums t₂(f), enthält; aus einem frequenzabhängigen Anteil (4a) der Vergleichsgröße (4) wird mindestens eine Zustandsgröße (6) des Betriebsstoffs (7) ausgewertet (150).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Abnahme einer Frequenzkomponente der Vergleichsgröße (4) für eine Frequenz f, die zum charakteristischen Absorptionsspektrum einer Komponente des Betriebsstoffs (7) für die Strahlung (3) gehört, auf eine chemische Veränderung, und/oder den Verbrauch, der Komponente des Betriebsstoffs (7) geschlossen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Zunahme einer Frequenzkomponente der Vergleichsgröße (4) für eine Frequenz f, die nicht zum charakteristischen Absorptionsspektrum einer Komponente des Betriebsstoffs (7) für die Strahlung (3) gehört, auf eine chemische Veränderung, und/oder auf eine Kontamination, des Betriebsstoffs (7) geschlossen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoff, ein Schmierstoff oder ein hydraulisches Arbeitsmedium als Betriebsstoff (7) gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vergleichsgröße (7) Frequenzen f, deren zugehörige Komponenten im ersten Spektrum t₁(f), und/oder im zweiten Spektrum t₂(f), außerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegen, untergewichtet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsgröße (4) um ein erstes gewichtetes Mittel eines Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) über mehrere Frequenzen f, und/oder um ein zweites gewichtetes Mittel eines Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des zweiten Spektrums t₂(f) über mehrere Frequenzen f, korrigiert wird.
8. Verfahren zur Ermittlung einer Spezifikation (8, 9) für die Ähnlichkeit der chemischen Zusammensetzung einer zweiten Probe (2) zu mindestens einer ersten Probe (1), wobei mindestens ein an der ersten Probe gemessenes erstes Spektrum t₁(f) vorliegt, welches durch Bestrahlung (110) der ersten Probe (1) mit elektromagnetischer Strahlung (3) und frequenzabhängige Messung der Intensität (3b) eines Anteils (3) der Strahlung, der eine Strecke innerhalb der ersten Probe zurückgelegt hat, erhalten wurde, dadurch gekennzeichnet, dass ein Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) ermittelt (160) und ein Band, in dem dieser Logarithmus oder eine Frequenzableitung hiervon verläuft, als Toleranzbereich (8) für den Logarithmus des Betrages eines Logarithmus eines zweiten, an der zweiten Probe (2) gemessenen Spektrums t₂(f), bzw. für eine Frequenzableitung hiervon, festgelegt wird (170, 170a), und/oder eine Mindestkorrelation (9) zwischen dem Funktionsverlauf des Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des zweiten Spektrums t₂(f) und dem Funktionsverlauf des Logarithmus des Betrages des Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) festgelegt wird (170, 170b).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) um ein gewichtetes Mittel eines Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des ersten Spektrums t₁(f) über mehrere Frequenzen f korrigiert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Toleranzbereich (8) für den Logarithmus des Betrages eines Logarithmus des zweiten Spektrums t₂(f) ein Toleranzbereich (8a) für das zweite Spektrum t₂(f) ausgewertet wird (180).
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kunststoff, ein Gummi, ein Öl, ein Fett, eine Farbe, eine Seife, ein Klebstoff oder ein Schmierstoff als erste Probe gewählt wird.
12. Computerprogrammprodukt, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.

Images