PTA4 erfasst vier optische Detektorsignale gleichzeitig. Anstatt die Signale sofort auf einzelne Tropfen- oder Partikelparameter zu reduzieren, werden die synchronisierten Messdaten über ein definiertes Erfassungsintervall gespeichert und für die ParticleTensorAI®-Analyse in eine mehrdimensionale Darstellung überführt.
Die vier Detektorkanäle bieten die umfangreichste optische Standard-Signaldarstellung innerhalb der ParticleTensorAI®-Plattform. Das KI-Modell kann Signalstrukturen innerhalb jedes Detektorkanals sowie zeitliche und optische Beziehungen zwischen allen vier Kanälen analysieren.
Systemkonfiguration PTA4
PTA4 besteht aus der optischen Messsonde LSS4, der Mehrkanal-Steuer- und Erfassungseinheit CLEON und der Analysesoftware ParticleTensorAI®.
| Komponente | PTA4-Konfiguration | Funktion |
|---|---|---|
| Optische Messsonde | LSS4 | Erzeugt den Messbereich und detektiert zeitaufgelöstes Streulicht |
| Detektorkanäle | 4 | Erfasst vier synchronisierte optische Signalströme |
| Steuereinheit | CLEON | Mehrkanalige Signalerfassung, Pufferung und Verarbeitung |
| Auswertung | ParticleTensorAI® | KI-basierte Analyse gepufferter Mehrkanal-Signaldaten |
Messprinzip
Die optische Messsonde LSS4 erzeugt im Messbereich ein definiertes Beleuchtungsfeld. Tropfen oder Partikel, die dieses Feld durchqueren, erzeugen zeitabhängige Streulichtsignale, die von vier optischen Kanälen detektiert werden.
Jeder Detektor beobachtet die Wechselwirkung mit dem Partikel aus seiner definierten optischen Konfiguration. Die resultierenden synchronisierten Signale enthalten Informationen über den Durchgang der Partikel durch den Messbereich und über ihre Wechselwirkung mit dem optischen Feld.
Im PTA4-Betrieb speichert CLEON die vier Signalströme über ein definiertes Erfassungsintervall und stellt sie für die ParticleTensorAI®-Verarbeitung bereit.
Partikel → LSS4 → Vier synchronisierte Signalströme → CLEON-Puffer → ParticleTensorAI® → KI-Ergebnis
Vierkanal-ParticleTensorAI®
Das bestimmende Merkmal von PTA4 ist die gleichzeitige Erfassung von vier zeitaufgelösten Detektorkanälen.
Die vier Kanäle liefern nicht einfach redundante Messungen. Sie bieten mehrere optische Ansichten derselben Partikelpopulation und erhöhen damit die Informationsmenge, die dem KI-Modell zur Verfügung steht.
Je nach optischer Konfiguration kann ParticleTensorAI® Folgendes analysieren:
- Signalform innerhalb jedes Detektorkanals
- Signalamplitude und Intensitätsverteilungen
- zeitliche Signalabfolgen
- Zeitbeziehungen zwischen den Detektorkanälen
- Ereignisdichte von Partikeln oder Tropfen
- überlappende Signalstrukturen
- statistische Muster innerhalb des Erfassungsintervalls
- Beziehungen zwischen mehreren optischen Detektoransichten
- zeitliche Veränderungen der Mehrkanal-Signalverteilungen
Von vier Detektorsignalen zu mehrdimensionalen Daten
ParticleTensorAI® bewahrt größere Teile der ursprünglichen optischen Messdaten, anstatt jedes detektierte Signal sofort in wenige vordefinierte Partikelparameter umzuwandeln.
Die vier synchronisierten Detektorsignale werden über ein definiertes Messintervall aufgezeichnet und in eine mehrdimensionale Datendarstellung überführt. Diese Darstellung bewahrt die zeitlichen Informationen zusammen mit den Beziehungen zwischen den optischen Detektorkanälen.
4 Detektorkanäle → Gepuffertes Messintervall → Mehrdimensionale Darstellung → KI-Modell → Partikel-, Material- und Prozessinformationen
Die genaue Datendarstellung und das KI-Modell lassen sich an die Messaufgabe anpassen. Dadurch eignet sich PTA4 für die Forschung und Entwicklung von Messkonzepten, die mehr optische Informationen erfordern, als eine Ein- oder Zweikanal-Konfiguration liefern kann.
Triggerfreie Signalanalyse
PTA4 kann vollständige gepufferte Signalsequenzen analysieren, ohne dass jedes Tropfen- oder Partikelereignis vor der KI-Auswertung einzeln identifiziert und separiert werden muss.
Dies kann insbesondere bei komplexen oder dichten Sprays von Vorteil sein, in denen Partikelereignisse in schneller Folge auftreten oder sich mehrere Lichtstreusignale überlagern.
Anstatt solche komplexen Messintervalle zu verwerfen, kann ParticleTensorAI® die Mehrkanal-Signalinformationen erhalten und dem KI-Modell zur Verfügung stellen.
KI-basierte Auswertung
PTA4 ist ausschließlich für die KI-basierte Auswertung konzipiert. Der Zusammenhang zwischen der gemessenen optischen Vierkanal-Signalstruktur und der gewünschten Ausgabegröße wird aus geeigneten Trainings- und Validierungsdaten gelernt.
Die vier Detektorkanäle ermöglichen es dem KI-Modell, sowohl die Informationen innerhalb jedes einzelnen Signalstroms als auch die Beziehungen zwischen verschiedenen Detektorkanälen zu nutzen.
Je nach Anwendung können diese Informationen zur Entwicklung von KI-Modellen für die Charakterisierung von Partikeln, Sprays, Materialien oder Prozessen genutzt werden.
Mögliche Mess- und Analyseergebnisse
Die verfügbaren Ergebnisse hängen von der optischen Konfiguration, den Trainingsdaten, den Referenzinformationen und dem für die Anwendung entwickelten KI-Modell ab.
- Klassifizierung von Spray-Zuständen
- Klassifizierung von Partikeln oder Tropfen
- Erkennung von Prozessänderungen
- materialbezogene Partikelcharakterisierung
- Analyse von Veränderungen optischer Partikeleigenschaften
- Vergleich unterschiedlicher Betriebsbedingungen
- Überwachung stabiler und instabiler Spray-Zustände
- Analyse hochkonzentrierter Sprays
- KI-basierte Qualitätsüberwachung
- erweiterte Charakterisierung von Prozesszuständen
Charakterisierung von Material- und optischen Eigenschaften
Die Struktur eines Lichtstreusignals hängt nicht nur von Partikelgröße und -geschwindigkeit ab. Auch optische und materialbezogene Eigenschaften können die gemessene Signalform beeinflussen.
Mit vier synchronisierten Detektorkanälen bietet PTA4 mehrere optische Ansichten dieser Wechselwirkungen. Dies schafft eine breite Datenbasis, um zu untersuchen, ob Änderungen der Materialzusammensetzung oder der Partikeleigenschaften charakteristische Mehrkanal-Signalmuster erzeugen.
PTA4 eignet sich daher besonders für Forschungsaufgaben, bei denen herkömmliche Messungen von Partikelgröße und -geschwindigkeit nicht ausreichen und zusätzliche materialbezogene Informationen benötigt werden.
Komplexe und hochkonzentrierte Sprays
In Sprays mit hohen Partikel- oder Tropfenkonzentrationen können sich einzelne Lichtstreusignale überlagern. Klassische Zählverfahren stoßen zunehmend an ihre Grenzen, wenn sich einzelne Ereignisse nicht mehr zuverlässig trennen lassen.
ParticleTensorAI® kann vollständige Mehrkanal-Signalsequenzen erhalten und analysieren. Dies bietet einen alternativen Ansatz, um Informationen aus Messintervallen mit vielen oder sich überlagernden Partikelereignissen zu gewinnen.
Die Kombination aus vier Detektorkanälen und gepufferter KI-basierter Analyse macht PTA4 besonders relevant für die Forschung an komplexen Sprays und mehrphasigen Partikelsystemen.
Entwicklung des KI-Modells
PTA4 benötigt geeignete Trainings- und Validierungsdaten für die vorgesehene Messaufgabe. Während der Modellentwicklung werden optische Vierkanal-Signale unter definierten Referenzbedingungen aufgezeichnet und bekannten Klassen oder Referenzgrößen zugeordnet.
Der Datensatz wird in Trainingsdaten und unabhängige Validierungsdaten aufgeteilt. Das KI-Modell lernt Zusammenhänge innerhalb der Mehrkanal-Signaldarstellung und wird anschließend mit Messungen getestet, die nicht in das Modelltraining eingeflossen sind.
Wichtige Faktoren sind:
- Qualität der Referenzmessungen
- Bereich der Betriebsbedingungen
- Material- und optische Eigenschaften
- Stabilität der optischen Konfiguration
- Beziehungen zwischen den Detektorkanälen
- Partikel- oder Tropfenkonzentration
- Anzahl und Vielfalt der Messfälle
- gewählte Architektur des KI-Modells
- Ähnlichkeit zwischen Trainings- und späteren Einsatzbedingungen
Kundenspezifische PTA4-Anwendungen können daher eine individuelle Mess-, Trainings- und Validierungskampagne erfordern.
Optische Messsonde LSS4
Die LSS4 ist die optische Vierkanal-Messsonde von PTA4. Sie erzeugt den optischen Messbereich und liefert vier synchronisierte, zeitaufgelöste Lichtstreusignale.
Die LSS4-Plattform lässt sich für unterschiedliche Messaufgaben konfigurieren. Optische Geometrie, Arbeitsabstand, Wellenlänge und mechanische Integration können an die Anwendung angepasst werden.
| Parameter | LSS4 |
|---|---|
| Messprinzip | Zeitaufgelöste Lichtstreuung |
| Aktive Detektorkanäle | 4 |
| Verfügbare Wellenlängen | 405 nm, 450 nm |
| Abmessungen | Ca. 200 × 150 × 70 mm |
| Kompatible Steuereinheit | CLEON |
Steuereinheit CLEON
Die Steuereinheit CLEON ermöglicht die synchronisierte mehrkanalige Signalerfassung und -verarbeitung für die optische Messsonde LSS4.
Im PTA4-Betrieb ist CLEON so konfiguriert, dass die vier zeitaufgelösten Detektorsignale für die ParticleTensorAI®-Analyse gespeichert und verarbeitet werden.
Dieselbe Hardwareplattform kann auch für klassische TSTOF-Messungen eingesetzt werden. Der Unterschied liegt im Erfassungsablauf, in der Firmware, im Berechnungsverfahren und in der Auswertesoftware.
PTA4 und TSTOF nutzen dieselbe Hardwareplattform
PTA4 und TSTOF nutzen dieselbe optische Messsonde LSS4 und dieselbe Mehrkanal-Erfassungsplattform CLEON. Der Unterschied liegt in der Auswertung der vier Detektorsignale.
| Parameter | TSTOF | PTA4 |
|---|---|---|
| Optische Messsonde | LSS4 | LSS4 |
| Steuereinheit | CLEON | CLEON |
| Detektorkanäle | 4 | 4 |
| Primäre Dateneinheit | Einzelnes Partikelereignis | Gepufferte Mehrkanal-Signalsequenz |
| Auswertekonzept | Klassische physikalische TSTOF-Berechnung | Tensorbasierte KI-Analyse |
| Separierung einzelner Ereignisse | Für die klassische Auswertung erforderlich | Nicht immer erforderlich |
| Typischer Schwerpunkt | Messung von Partikelgröße und -geschwindigkeit | Komplexe Partikel-, Material- und Prozesscharakterisierung |
Dieser Vergleich verdeutlicht das modulare Konzept der ai-quanton-Messplattform: Dieselben physikalischen optischen Signale können mit grundlegend unterschiedlichen Auswertestrategien genutzt werden.
Prozessüberwachung
PTA4 kann aufeinanderfolgende Messintervalle während eines laufenden Partikel- oder Sprayprozesses analysieren. Jedes Messintervall kann vom trainierten KI-Modell ausgewertet und in eine anwendungsspezifische Ausgabe umgewandelt werden.
Mögliche Ausgaben sind Klassifizierungen, vorhergesagte Parameter, Wahrscheinlichkeitswerte, Trendinformationen oder Kennzahlen, die Abweichungen gegenüber einem definierten Referenzprozess beschreiben.
Die Vierkanal-Konfiguration bietet eine umfangreiche optische Datenbasis, um feine Veränderungen in Partikelpopulationen, Materialeigenschaften oder Prozessbedingungen zu erkennen.
Typische PTA4-Anwendungen
- erweiterte KI-basierte Spray-Charakterisierung
- Materialcharakterisierung in Sprays
- Überwachung von Lackier- und Beschichtungsprozessen
- hochkonzentrierte Sprays
- komplexe mehrphasige Partikelsysteme
- Erkennung von Prozessänderungen
- Vergleich von Betriebsbedingungen von Zerstäubern
- Forschung zu mehrkanaligen optischen Streusignaturen
- Entwicklung neuer KI-basierter Messverfahren
- industrielle Prozessüberwachung
Anwendungsspezifische Konfiguration
PTA4 lässt sich an anspruchsvolle Messaufgaben anpassen. Die endgültige Konfiguration hängt vom Spray- oder Partikelsystem, dem Material, den optischen Eigenschaften, der Konzentration, den Prozessbedingungen, dem verfügbaren Bauraum, den Referenzdaten und dem gewünschten Analyseergebnis ab.
Mögliche Anpassungen sind:
- Geometrie der optischen Messsonde
- Arbeitsabstand
- Beleuchtungskonfiguration
- Detektoranordnung
- Wellenlänge
- mechanische Integration
- Erfassungsintervall
- Pufferkonfiguration
- Tensordarstellung
- Architektur des KI-Modells
- Ausgabeparameter
- Prozessschnittstellen
PTA1, PTA2 oder PTA4?
Die drei Standardsysteme von ParticleTensorAI® unterscheiden sich vor allem in der Anzahl der synchronisierten optischen Detektorkanäle und damit in der Menge an optischen Informationen, die für die KI-Analyse zur Verfügung steht.
PTA1 bietet die kompakteste Konfiguration. PTA2 ergänzt mit zwei synchronisierten Kanälen Informationen aus dem Vergleich der Detektoren untereinander. PTA4 bietet vier synchronisierte Kanäle und ist für Anwendungen vorgesehen, bei denen die größtmögliche Menge an optischen Signalinformationen benötigt wird.
Wissenschaftlicher Hintergrund
PTA4 verbindet die etablierte mehrkanalige optische Messplattform von TSTOF mit dem KI-basierten Auswertekonzept von ParticleTensorAI®.
In der Forschung wurde der Einsatz zeitaufgelöster Lichtstreusignale für die Partikelcharakterisierung, materialbezogene Analysen, komplexe Sprays und hochkonzentrierte Partikelsysteme untersucht. ParticleTensorAI® erweitert diese Arbeiten, indem größere Teile der ursprünglichen Mehrkanal-Messinformationen für die KI-basierte Analyse erhalten bleiben.
Ausgewählte Literatur
[1] Schaefer, W.; Li, L.; Stegmann, P.; Terada, M. Technical Report on the TSTOF Measurement Method: Technical Basics, Historical Development, and Comparison with Other Laser-Based Measurement Methods. Photonics 2026, 13(1), 56. https://doi.org/10.3390/photonics13010056
[2] Schaefer, W.; Fleck, S.; Haas, M.; Jakobs, T. Optical measurement method for monitoring high-mass-concentration slurry sprays: An experimental study. Photonics 2025, 12(7), 673. https://doi.org/10.3390/photonics12070673
[3] Schäfer, W.; Jakobs, T.; Stegmann, P. AI-assisted monitoring of coal particles within droplets in a coal monoethylene glycol slurry spray. 41st International Symposium on Combustion, Kyoto, Japan, 2026. KITopen ID 1000196272. https://doi.org/10.5445/IR/1000196272
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