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Schlagwort: Industrie 4.0
Fördermaßnahme: KMU-innovativ (bis 2015)
Forschungsziel: Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines optischen, fasergekoppelten Online-Sensors, basierend auf der zeitaufgelösten Fluoreszenzspektroskopie. Die Anregung der Fluoreszenz erfolgt mittels Hochleistungs-LED im ultravioletten Spektralbereich. Das System ist in der Lage selbst geringe Konzentrationen von Stoffen zu bestimmen. Als erste Pilotanwendungen sind die Inspektion von beölten Blechen im Karosseriebau und die Überwachung eines Abwasserkreislaufes vorgesehen.
Dipl.-Ing. Ulf Zanger
+49 721 608-25296
ulf.zanger@kit.edu
Problemstellung
Der Überwachung und Kontrolle von industriellen Prozessen kommt eine wachsende Bedeutung zu. Neue und immer präzisere Messverfahren erlauben eine effizientere Steuerung der Prozesse und eine frühe Fehlererkennung. Damit steigen gleichzeitig die Anforderungen an die eingesetzten Messsysteme wie Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Standzeit. Besonders vorteilhaft sind Online-Systeme, da sie permanent Informationen über den aktuellen Ist-Zustand liefern und damit erst eine effektive Regelung oder im Fehlerfall ein sofortiges Eingreifen in den Prozess ermöglichen. Spektroskopische Verfahren sind beispielsweise für die Bestimmung von Stoffkonzentrationen in Prozessmedien und die Detektion von Verunreinigungen in hervorragender Weise geeignet. Technisch besonders anspruchsvolle Messprinzipien, wie die zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie, sind bisher lediglich in Form von Laborgeräten für die Messung von Stichproben verfügbar. Sie erlauben daher keine Online-Messung und treffen aufgrund ihres hohen Preises auf eine geringe Akzeptanz.
Projektziele
Ziel der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist die Schaffung eines kostengünstigen, präzisen und zuverlässigen Messsystems auf Basis der zeitaufgelösten Fluoreszenz. Die Anregung erfolgt mittels Hochleistungs-LED im ultravioletten Spektralbereich. Derartige Bausteine werden zunehmend verfügbar und können die bisher eingesetzten teuren Laserquellen ersetzen. Gleichzeitig sind sie einfacher in den optischen Aufbau zu integrieren und überzeugen durch eine hohe Lebensdauer von bis zu 100.000 Stunden. Um das Fluoreszenzsignal auswerten zu können sind Pulsdauern von wenigen Nanosekunden erforderlich.
Anregung und Detektion der Fluoreszenz sollen über Lichtleiter erfolgen. Dies ermöglich einen einfachen und flexiblen Zugang an unterschiedliche Geometrien und erlaubt eine sehr geringe Bauform im Bereich des Prozesses. Oberflächen können kontaktlos inspiziert werden.
Vorgehensweise
Zunächst sind die optimalen Anregungswellenlängen, die zu erwartenden Intensitäten und Wellenlängen des Fluoreszenzsignals, sowie weitere Parameter an praxisrelevanten Substanzen zu untersuchen. Parallel hierzu läuft die Auswahl und Charakterisierung der in Frage kommenden LED-Module. Die vorhandene Technologie zur Photonenzählung ist auf die zu erwartenden Signalstärken und den optischen Aufbau zu optimieren. Die optischen Koppelstellen sind auszulegen und das ganze System im Dauerstrichbetrieb zusammen zu fügen.
Anschließend erfolgt die Adaption auf den Pulsbetrieb. Dies erfordert die Entwicklung und Integration einer entsprechenden Treibereinheit für die LED-Module. Nach dem erfolgreichen Test an Beispielsubstanzen ist ein erster Einsatz im Produktionsprozess vorgesehen.
Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Ergebnis des Projektes soll ein kompaktes, preisgünstiges und vielseitig einsetzbares Online-Messsystem sein. Erste Einsatzgebiete sind die Prüfung von beölten Blechen im Karosseriebau und die Überwachung des Abwasserkreislaufs eines Kraftwerks. Darüber hinaus existiert eine Vielzahl wirtschaftlich interessanter Anwendungen im Automobilbau, der chemischen Industrie und Kunststofftechnik, der metallverarbeitenden Industrie und der Pharmazie.
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