15. Abwasserbilanz Brandenburg - uni-kassel.de · 15. Abwasserbilanz Bran‐ denburg, 12.12.2011 15. Abwasserbilanz Brandenburg Globale Anforderungen‐Regionale Antworten Wildau,

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011

15. Abwasserbilanz BrandenburgGlobale Anforderungen‐ Regionale AntwortenGlobale Anforderungen Regionale Antworten

Wildau, 12. Dezember 2011

Gerüche in der Umweltl k i h N G h– elektronische Nasen zur Geruchsmessung –

Franz‐Bernd Frechen, Universität KasselSprecher, VDI‐AG 3885/1 „Messung des Geruchs‐Emissions‐

t i l Flü i k it “potenzials von Flüssigkeiten“Obmann, DWA Fachausschuss “Emissionen von Abwasseranlagen”Past Chair, IWA Specialist Group “Odour and Volatile Emissions” und Bundessieger

Gesellschaft“

Folie 1 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)

Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechen

„Gesellschaft

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Überblick

M G h Messung von Geruch Flüssigkeiten als originäre Quelle von Gerüchen Wie misst man Geruch in Flüssigkeiten? Olfaktometrisch messen oder mit elektronischen Nasen – Olfaktometrisch messen oder mit elektronischen Nasen

Vorteile, mögliche Probleme und Fehlerquellen



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Einführung

... wir haben es mit vielen E t tExperten zu tun:



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Wahrnehmung von Gerüchen

Abluft mit einer

Geruchkein Geruch

Abluft mit einer Vielzahl von

(Geruchs‐)Stoffen

Physiologie:Wahrnehmung

Geruchs‐eindruck

Psychologie:Interpretation

Geruchsstoff‐konzentrationAnalytische Ver‐

Geruchsintensität

Geruchsart

fahren zur Identifizierung und Quantifizierung

Aus Campbell, Neil A. „Biologie“ (1997)

Analytisch:Stoffgrößen“

Geruchsart

Hedonik

Ab “G h” i t i

„StoffgrößenSensorisch: „Wirkgrößen“

du/ gcmsm

s.jpg

Aber: “Geruch” ist einemenschliche Sensation

bohr.winthrop.ed



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Messung von Gerüchen

Die Geruchsstoffkonzentration cod einer zu untersuchenden Gasprobe entspricht zahlenmäßig dem Verdünnungsverhältnis zwischen geruchsneutraler Luft und der zu untersuchenden gProbeluft, welches notwendig ist, um die Geruchsschwelle zu

erreichenerreichen.

GeruchsschwelleGeruchsschwelle

50 % der Beurteilungen 50 % der Beurteilungenglauten „Geruch“

glauten „kein Geruch“

3 2 2003 i d G h ffk i d h Olf k i “



DIN EN 13725:2003 „Bestimmung der Geruchsstoffkonzentration durch Olfaktometrie“

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Olfaktometer (hier: 4‐Platz‐Gerät)

Geruchsneutrale Luft

VerdünnteMischung

P b

rank

e

Probe

d k lld k

Frec

hen/

FrPC und Protokolldrucker

© Frechen



© © Frechen

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Messung von Luftproben

Geruchsstoffkonzentrationin Geruchseinheiten pro m³ Luft GEE /m³in Geruchseinheiten pro m Luft GEE /mDas Produkt aus Konzentration GEE/m3 und

L ft l t 3/h i t dLuftvolumenstrom m3/h ist der Emissionsmassenstrom GEE /h( )

Luftmessungen

(Eingangsgröße für Ausbreitungsrechnungen)

Luftmessungen zur Beurteilung von Abluft zur Dimensionierung und Beurteilung der Wirksamkeit von zur Dimensionierung und Beurteilung der Wirksamkeit von

Abluftreinigungsverfahren r Erstell ng on Immissionsprognosen zur Erstellung von Immissionsprognosen



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Olfaktometer (hier: 4‐Platz‐Gerät)

Geruchsneutrale LuftOlfaktometrie ist

Verdünnte

personalintensiv zeitintensiv Mischung zeitintensiv daher teuer und nur offline möglich

P bElektronische Nasen vermeiden diese

rank

e

Probe

d k lld k

Elektronische Nasen vermeiden diese Nachteile (die Preise sollten noch

Frec

hen/

FrPC und Protokolldrucker

© Frechen

Nachteile (die Preise sollten noch sinken) – aber taugen sie?



© © Frechen

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Woher kommt der Geruch?

Industrie Kanalisation, vor allem Druckrohrleitungen Abwasser‐ und Schlammbehandlung und ‐entsorgung



g g g

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Reicht es nicht aus, H2S zu messen?

H S i t i i Ab t übli h d b d t d H2S ist ein in Abwassersystemen üblicher und bedeutender Geruchsstoff, der bei Faulvorgängen ohne Sauerstoff entsteht

H2S ist sehr geruchsintensiv: 1 ppm H2S ~ 1.000 GEE/m3

H2S kann erhebliche Schäden anrichten2

W H S h d G h h d b

© Frechen

Wenn H2S vorhanden Geruch vorhanden, aber: Wenn kein H2S vorhanden, kann es dennoch stinken!



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Geruchsstoffe in Abwässern

Geruchs‐Stoffe

Über‐gang

Austrittaus dem

Geruchs‐be‐

Geruchs‐belästi‐

Geruchsstoff‐Eintrag infolge Produktion

im Ab‐wasser

g gin die

KanalluftKanal

ins Freie

belastung

belästigungGeruchsstoff‐

Entstehung im AbwasserAbwasser

Je weiter links in der Prozesskette gemessen wird, desto größer sind die Einflußmöglichkeiten!g

Konsequenz: im Abwasser messen (und nicht erst in der Kanalluft!)



Kanalluft!)

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Noch ein Grund, im Abwasser zu messen:

Normaler Kanal mit natürlicher Lüftung über die SchächteNormaler Kanal mit natürlicher Lüftung über die Schächte ...Irgendein Messgerät (z.B. H2Sg)

Geruch

l = niedriger Luftdruckh = hoher Luftdruck

G h Geruchhllh

Geruch



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Noch ein Grund, im Abwasser zu messen:

Normaler Kanal mit natürlicher Lüftung über die SchächteNormaler Kanal mit natürlicher Lüftung über die Schächte ...Irgendein Messgerät (z.B. H2Sg)

Geruch

l = niedriger Luftdruckh = hoher Luftdruck

G h Geruchhllh

Geruch



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Messung von Geruchsstoffen in Flüssigkeiten

GeruchsEmissionsPotenzialin Geruchseinheiten pro m³ Flüssigkeitin Geruchseinheiten pro m Flüssigkeit

GEE/m³Flüssigkeit”Das GeruchsEmissionsPotenzial GEP einer Flüssigkeit ist die Gesamtmenge an in einer Flüssigkeit enthaltenendie Gesamtmenge an in einer Flüssigkeit enthaltenen

Geruchsstoffen, die unter standardisierten Bedingungenaus der Flüssigkeit ausgetrieben werden können ”aus der Flüssigkeit ausgetrieben werden können.”

Charakterisierung von Flüssigkeiten z.B. benötigt zur Beurteilung der Geruchsrelevanz & Identifizierung des Problems zur Einleitbegrenzung von Geruchsstoffen zur Beurteilung der Wirksamkeit der Chemikalienzugabe VDI‐Richtlinie 3885 Blatt 1 „GEP‐Messung“ in Bearbeitung!



VDI Richtlinie 3885 Blatt 1 „GEP Messung in Bearbeitung!

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011GEP‐Messung: Geräte

Gasaustrag / Probenahmestelle

m

Flüssig‐k it

0,10

0,354 m

keit

5 m

Belüfter 0,34

5

geruchs‐

© F

rech

en

geruchsfreie Luft

0,315 m



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011GEP‐Messung: Auswertung

2.000Lu

ftm

3 Luft

1 500

olfaktometrische Meßwerte

GE E

/m3 L

GEP = (c d‐c100)/V dVLn GE E/m Olfaktometrische Meßergebnisse

1.500

berechneton in

G GEP = (cod c100)/Vp dVL

mit Vp = 30 L

on codin

berechnet

1.000 extrapoliert

Test-Dauerzent

rati

entratio

Versuchsdauer

extrapoliert

500

offk

onz

offkon

ze

0100chss

touchssto

00 200 400 600

Luftmenge in Liter

Ger

uGeru

Strippluft‐Volumen in Liter



Luftmenge in LiterStrippluft‐Volumen in Liter

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011H2S kann Geruch als Parameter nicht ersetzen!

Kommunaler Sammelkanal Fleischindustrie‐Abwasser

GeruchGEP: 5.210.000 GEE/m3

Flüssigkeit

GeruchGEP: 594.000 GEE/m3

Flüssigkeit

H2S

H2S

Dimethylsulphid



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Ergebnisse von GEP‐Messungen

1 Charakterisierung von Flüssigkeiten bezüglich ihrer1. Charakterisierung von Flüssigkeiten bezüglich ihrer Geruchsrelevanz

Abwasser: 80.000 (5.000 – 600.000) GEE/m3Flüssigkeit

Frischer Überschußschlamm: 30.000 (9.000 – 150.000) GEE/m3FlüssigkeitE Flüssigkeit

Filtrat stabilisierter Schlamm: 110.000 (5.000 – 400.000) GEE/m3

Flüssigkeitg

Filtrat Rohschlamm: 2.000.000 (bis 10.000.000) GEE/m3Flüssigkeit

Werte über 50.000 GEE/m3Flüssigkeit im Kanal gelten als kritisch



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Ergebnisse von GEP‐Messungen


2 Charakterisierung von verschiedenen bisher gemessenen2. Charakterisierung von verschiedenen bisher gemessenenindustriellen Abwässern (Grenzwertfestlegung + Überwachung(bald) nach VDI 3885/1 möglich)

Brauerei: bis 3.000.000 GEE/m3Flüssigkeit

(bald) nach VDI 3885/1 möglich)

E/ Flüssigkeit

Chemische Industrie: bis 12.000.000 GEE/m3Flüssigkeit

Papierindustrie: bis 6 000 000 GEE/m3Flü i k i Papierindustrie: bis 6.000.000 GEE/m Flüssigkeit

Gerberei: bis 15.000.000 GEE/m3Flüssigkeit

Fleischindustrie: bis 10 000 000 GE /m3 Fleischindustrie: bis 10.000.000 GEE/m3Flüssigkeit

Hefeindustrie: bis 40.000.000 GEE/m3Flüssigkeit



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011GEP‐Messung: Anwendungen


2 Charakterisierung von verschiedenen bisher gemessenen2. Charakterisierung von verschiedenen bisher gemessenen industriellen Abwässern (Grenzwertfestlegung + Überwachung (bald) nach VDI 3885/1 möglich)(bald) nach VDI 3885/1 möglich)

3. Identifikation von Problemen: Beispiel Lackierereiabwassereines großen Autowerks (1 800 KFZ/Tag)eines großen Autowerks (1.800 KFZ/Tag)

4. Wirksamkeit von Dosiermaßnahmen im Kanal überprüfenProjekt Köln/Mönchengladbach“ gefördert vomMUNLV NRWProjekt „Köln/Mönchengladbach , gefördert vom MUNLV NRW

5. Auswirkungen von Verfahrensumstellungen überprüfen, z.B. Ableitung in Druckrohr statt FreispiegelleitungAbleitung in Druckrohr‐ statt Freispiegelleitung

6. Abschätzung der Geruchsfreisetzung an Abstürzenl lf d d d lf d d7. Online‐Messung von Sulfid und GEP: der Sulfid‐ und GEP‐Mess‐

schrank SGM zur Prozesskontrolle der Chemikaliendosierung



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Überblick emscher:kanal



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Überblick emscher:kanal

Freispiegelkanal „emscher:kanal“ (Investitionskosten > 2 Mrd. €, Fertigstellung 2017) 51 km lang, Tiefe bis 40 m 113 Schächte (alle 300 – 600 m), Durchmesser 12 m 1 bzw. 2 Leitungen, max. 2.800 mm Durchmesser Technische Be‐/Entlüftung: Entwurf DMT/ g

Deutsche Montan TechnologieGmbH – Bergbau Service‐Wettertechnikg

38 Abluftbehandlungsanlagen: Entwurf 38 Abluftbehandlungsanlagen: EntwurfUniversität Kassel, Fachgebiet Siedlungs‐wasserwirtschaft (FG SWW)wasserwirtschaft (FG SWW)



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Automatische Sulfid‐ und GEP‐Messung zur Dosierregelung

Reaktor für dieH2S‐ bzw. Sulfid‐

Reaktor für dieGEP‐Messung

SPS St

Messung Grafikmonitor mitDatenerfassung/DatenbearbeitungSPS zur Steuerung Datenbearbeitung

Messung von SulfidMessung von Sulfidüber Strippung beipH=4 undGEP M üb

Druckluft

GEP‐Messung überENose (nicht darge‐stellt)Ca. alle 10 Minutenein Meßwert

Mit diesen Sulfid‐/Geruchsmeßschrank läßt sich auch eine Ablaufkontrolle realisieren!

© Frechen



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Automatische Sulfid‐ und GEP‐Messung zur Dosierregelung

2 Sulfid‐Geruchsmeßschränke bei der Emschergenossenschaft

© Frechen



© Frechen

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Benötigte Sensoren die SGM‐Onlinemessung

Fü d S l hid T il d SGM i d i S fü H S b öti t Für den Sulphid‐Teil des SGM wird ein Sensor für H2Sg benötigt (Marktverfügbar)

Für den GEP‐Teil des SGM wird ein Sensor benötigt, welcher fähig ist, online Gerüche zu detektieren (als Ersatz für die Testperson) – eine “elektronische Nase”



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011eNoses under research (excerpts)

© Frechen

© Frechen



© Frechen

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Prinzipien von eNasen

H lbl it S ä d d h Akk l ti Halbleiter: Spannungsänderung durch Akkumulation von Geruchsstoffen in der Sensorschicht

Schwingquartz: Frequenzänderung infolge Masseakkumulation von Geruchsstoffen in der Sensorschicht

Üblicherweise 4 bis 10 Sensoren: unterschiedliche Sensoren (Sensormaterial) oder Messbedingungen (Hitzeprofile, ( ) g g ( p ,Verdünnungen)

100%S1 (aromatic)

S10 (methane

AK Bottrop

20%

40%

60%

80% S2 (broadr.)

S3 (aromatic)S9 (sulphur, chlor)

S10 (methane-aliph)

Schwarzbach

Dr ckrohrleit ng0%

0%

S4 (hydrogen)S8 (broad, alcohol)

Druckrohrleitung

Biogasanlage: Mais-Silo (feucht)

S5 (arom-aliph)

S6 (broad, methane)

S7 (sulphur, organic) Bauernhof: Gülletank



Legende: S1…S10 sind die Sensoren des Multisensormessgerätes

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Messung der olfaktom. Geruchskonz. mit eNasen?

Di f kt N ä i d L di WAHRE G h t ff Die perfekte eNase wäre in der Lage die WAHRE Geruchsstoff‐konzentration zu messen. Dies bedeutet, dass ein mathema‐ti h M d ll i ti ü t l h 4 bi 10 S ttisches Modell existieren müsste, welches 4 bis 10 Sensorwerte in eine Zahl überführt: die WAHRE Geruchsstoffkonzentration

Zur Erstellung dieses Modells müssen parallele Messungen durchgeführt werden: eNase Olfaktometer

Um so mehr parallele Messwerte gesammelt werden (größere mathematische Datenbasis), um so genauer kann das mathematische Modell sein.



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011SiWaWi Datensammlung (09/2010)

D t l d FG SWW Datenpool des FG SWW: 5 verschiedene eNasen 3 olfaktometrische Labore 3 olfaktometrische Labore Unterschiedliche Geruchsherkunft

Projekt eNase Zeitbereich Olfaktometrie Geruchsherkunft AnzahlProjekt eNase Zeitbereich Olfaktometrie Geruchsherkunft AnzahlWien A 2005 Lab 1 Abwasser 382Wien B 2005 Lab 1 Abwasser 156Hilter A 4/2008 ‐ 5/2008 Lab 2 Abwasser 40Emscherkanal A 1/2007 ‐ 1/2008 Lab 2 Abwasser 150Biofilter C 2009 Lab 2 Abwasser 12GEP mit Abwasser A,A 2010 Lab 2 Abwasser 88Sicherheitsforschung 1 A,A 2007 Drogen/Sprengstoffe (8)Sicherheitsforschung 2 A A 2010 Drogen/Sprengstoffe (40)Sicherheitsforschung 2 A,A 2010 Drogen/Sprengstoffe (40)lab test C 2009 Schefelwasserstoff (20)Verden A,A 2010/2011 Lab 3 Abwasser 44Aachen A,A 2011 Lab 3 Abwasser 156Berlin A,B,D,E 2011 Lab 3 Abwasser 366Stand 10/2011 Gesamt mit Olfaktometrie 1.394



Stand 10/2011 Gesamt mit Olfaktometrie 1.394

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Probleme und mögliche Fehlerquellen

P b h Probennahme Unsicherheit der olfaktometrischen Messungen Die eNase selbst Die Art des Geruchs Die Art des Geruchs




P b h Probennahme Art der eNase (“batch” Messung oder kontinuierlich) Ort der Probenahme Unterschiedliche Geruchszusammensetzung Ort der Probenahme – Unterschiedliche Geruchszusammensetzung Nicht synchronisierte Uhren der Messgeräte (außer wenn die eNase aus

demselben Probenbeutel beschickt wird, mit dem auch die olfakto‐demselben Probenbeutel beschickt wird, mit dem auch die olfaktometrische Messung durchgeführt wird)

Lagerungsdauer der Probenbeutel




U i h h it d lf kt t i h M Unsicherheit der olfaktometrischen Messungen Es muss zwischen dem WAHREN GERUCH und dem OLFAKTOMETRISCH

GEMESSENEN Geruch unterschieden werdenGEMESSENEN Geruch unterschieden werden Olfaktometrische Messungen haben einen eheblichen Fehler. Nach Boeker

(2005) kann dieser zu ungefähr 50% abgeschätzt werden.( ) g g Dies bedeutet: Falls eine eNase die olfaktomerischen Messungen perfekt

wiederspiegelt (nach Herstellerangaben teilweise: R2 = 1 !!), so hat das Modell ebenfalls einen Fehler von 50%!




Di N lb t Die eNase selbst t90‐Zeit

Keine Informationen von den Herstellern Keine Informationen von den Herstellern t90‐Zeit unterschiedlich von Sensor zu Sensor t90‐Zeit unterscheidet sich je nach Geruchsart90

Einige Sensorsignale konvergieren nicht – und somit existiert keine t90‐Zeit für diese…

70.000

80.000

90.000

11 500

12.000

12.500

40.000

50.000

60.000

nsor re

ading

10.500

11.000

11.500

nsor re

ading

10.000

20.000

30.000sen

9.500

10.000

sen

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243

time [s]

9.000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243

time [s]




Di N lb t Die eNase selbst t90‐Zeit Oszillierende Messwerte Mittelwert wird verwendet Oszillierende Messwerte – Mittelwert wird verwendet

10.420

10.380

10.400

10.340

10.360

reading

10 300

10.320

sensor

10.280

10.300

10.260

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100

103

106

109

time [s]




Di N lb t Die eNase selbst t90‐Zeit Oszillierende Messwerte Mittelwert wird verwendet Oszillierende Messwerte – Mittelwert wird verwendet Liefern 2 eNasen desselben Typs und Alters die selben Messwerte?




Di N lb t Die eNase selbst t90‐Zeit Oszillierende Messwerte Mittelwert wird verwendet Oszillierende Messwerte – Mittelwert wird verwendet Liefern 2 eNasen des selben Typs und Alters die selben Messwerte? Alternde Sensoren Alternde Sensoren




Di G h t Die Geruchsart Obwohl schon weitreichend in (spezifischen) industriellen Prozessen

eingesetzt haben eNasen nach wie vor Probleme mit sich stark änderndeneingesetzt, haben eNasen nach wie vor Probleme mit sich stark ändernden Geruchszusammensetzungen – wie z.B. bei Abwassergerüchen, aber auch anderen …

1

0,8

11

210 cocaine_solo

cocaine beer

0 2

0,4

0,6

39

cocaine_beer

0

0,2

48 48

5

6

7



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Mathematische Auswertung

M th ti h A t R hd t i t d i hti t Mathematische Auswertung von Rohdaten ist der wichtigste Schritt beim Einsatz von eNasen. Methoden zielen ab auf:Q lifi i (“ l h A t G h i t di “)Qualifizierung (“welche Art von Geruch ist dies“)

100%S1 (aromatic)

S10 (methane

AK Bottrop

40%

60%

80% S2 (broadr.)

S3 ( ti )S9 ( l h hl )

S10 (methane-aliph)

Schwarzbach

0%

20%S3 (aromatic)

S8 (b d

S9 (sulphur, chlor)Druckrohrleitung

S4 (hydrogen)

S5 ( li h)S7 (sulphur,

S8 (broad, alcohol) Biogasanlage: Mais-

Silo (feucht)

B h f Güll t kS5 (arom-aliph)

S6 (broad, methane)






M th ti h A t R hd t i t d i hti t Mathematische Auswertung von Rohdaten ist der wichtigste Schritt beim Einsatz von eNasen. Methoden zielen ab auf:Q lifi i (“ l h A t G h i t di “)Qualifizierung (“welche Art von Geruch ist dies“) Mustererkennung mit

● Frequenzkonfigurationsanalyse

100%S1 (aromatic)

S10 (methane

AK Bottrop

Frequenzkonfigurationsanalyse● Formanalyse● Neuronale Netzwerke

40%

60%

80% S2 (broadr.)

S3 ( ti )S9 ( l h hl )

S10 (methane-aliph)

Schwarzbach

0%

20%S3 (aromatic)

S8 (b d

S9 (sulphur, chlor)Druckrohrleitung

S4 (hydrogen)

S5 ( li h)S7 (sulphur,

S8 (broad, alcohol) Biogasanlage: Mais-

Silo (feucht)

B h f Güll t kS5 (arom-aliph)

S6 (broad, methane)






M th ti h A t R hd t i t d i hti t Mathematische Auswertung von Rohdaten ist der wichtigste Schritt beim Einsatz von eNasen. Methoden zielen ab auf:Q lifi i (“ l h A t G h i t di “)Qualifizierung (“welche Art von Geruch ist dies“) Mustererkennung mit

● FrequenzkonfigurationsanalyseFrequenzkonfigurationsanalyse● Formanalyse● Neuronale Netzwerke

Q tifi i (“GE / 3”)Quantifizierung (“GEE/m3”) Partial Least Square PLS Lineare Regression Lineare Regression Nichtlineare Regression Logistische Regression (unter oder über einem gegebenen Wert) Neuronale Netzwerke (in der Lage, fast perfekte Erklärungen zu liefern, aber die

Fähigkeit zur Vorhersage ist essentiell, siehe weiter unten!)

I di P ä i h di Q ifi i In dieser Präsentation geht es um die Quantifizierung



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Einfache mathematische Fehler (Beispiel)

D t hl fü A t Datenauswahl für Auswertung: Je kleiner die mathematische Datenmenge, um so größer ist die Gefahr, ein

deterministisches Modell zu erhalten Im Fall von zehn Sensoren und elfdeterministisches Modell zu erhalten. Im Fall von zehn Sensoren und elf unbekannten Koeffizienten in einem Modell bekommt man immer eine ungefähr 100% korrekte Klassifikation, wenn nur elf oder weniger g , gMessungen ausgewertet werden.

Umfasst beispielsweise ein Datensatz 15 Messungen und hat die eNase 10 Sensoren: Wie wahrscheinlich ist es dann, einen hohen R2 Wert bei Auswertung von 11 12 oder allen 15 Messwerten zu erhalten?Auswertung von 11, 12 oder allen 15 Messwerten zu erhalten?



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Problem und Fehlerquellen

99,5%100%Distribution of R² (explanation) using 10 Sensors and 11 values

200 simulations

70%80%90% 200 simulations

50%60%70%

f Cases

30%40%

No. of

0,5%0%10%20%

0%

Correlation R²




100%Distribution of R² (explanation) using 10 Sensors and 12 values

200 simulations


50%60%70%

f Cases

30%40%

No. of

0%10%20%

0%

Correlation R²




100%Distribution of R² (explanation) using 10 Sensors and 15 values

64 simulations


50%60%70%

f Cases

30%40%

No. of

0%10%20%

0%

Correlation R²



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011eNasen: Vorsicht mit Herstellerangaben...

Bei der math Auswertung muss unterschiden werden zwischen: Bei der math. Auswertung muss unterschiden werden zwischen: Erklärung (Möglich in nahezu 99% der Fälle) undVorhersagefähigkeit, ermöglicht durch Datensplittung!Vorhersagefähigkeit, ermöglicht durch Datensplittung!

Falls Hersteller angeben, dass ihre eNase fähig sei, den Geruch mit einem Korrelationkoeffizienten von nahe 1 zu messen so isteinem Korrelationkoeffizienten von nahe 1 zu messen, so ist üblicherweise die Erklärung von geschichtlichen Daten gemeint GEE/m3 gemessen (Olfaktometrie) vs GEE/m3 errechnet (eNase)E/ g ( ) E/ ( )

Es ist kein Hersteller bekannt, der wirklich die Vorhersagefähigkeit testet. Falls doch, so sollte der Hersteller versichern, dass er:testet. Falls doch, so sollte der Hersteller versichern, dass er: die „bootstrap“ Prozedur verwendet: Herleitung des Modells für die

Erklärung basierend auf einen Trainingsdatensatz (i.d.R. 50%) (Diese Erklärung mag durchaus hohen Korrelationskoeffizienten aufweisen) und

dieses Modell auf den restlichen Teil der Daten = Testdatensatz anwendet zur Bestimmung der Vorhersagefähigkeitzur Bestimmung der Vorhersagefähigkeit.

R2 nahe 1 für Vorhersage nicht erreichbar und siehe oben




Korrelation mit Modell aus Übungsdaten (Datenset 1)(Erklärung)

e3

eNos

eou

E/m

3o

ouE/m3 measured



E


Anwendung des Modells um Daten (Datenset2 ) zu testen(Vorhersage) ...

e3

eNos

eou

E/m

3o

ouE/m3 measured



E

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Ein weniger anspruchsvoller Standard führt zu…

F ll d Zi l l di li h di E t h id i t itt l b i Falls das Ziel lediglich die Entscheidung ist, zu ermitteln, ob ein Geruch einen Grenzwert überschreitet oder nicht:

Übungsdatenset (Erklärung – benutzt für Modellerstellung)Model „<500 OU/m³“ „>500 OU/m³“ Total„ „

Neural Networks 11(64,7%) 35 ( 87,5 %) 46 (80,7 %)

Logistic Regression 11(64,7%) 35(87,5%) 46 (80,7 %)

Diskriminant Analysis 13 (76,4 %) 27 ( 67,5 %) 40 (70,2 %)

Answer Tree 0 (0 %) 40 (100 %) 40 (70,2 %)

Testdatenset (Vorhersage)M d l 00 OU/ ³“ 00 OU/ ³“ T lModel „<500 OU/m³“ „>500 OU/m³“ Total

Neural Networks 17(68%) 30 ( 90,8 %) 47 (81 %)

Logistic Regression 13(52%) 26(78 8%) 39 (67 2 %)Logistic Regression 13(52%) 26(78,8%) 39 (67,2 %)

Diskriminant Analysis 18 (72 %) 24 ( 72,7 %) 40 (70,2 %)

Answer Tree 0 (0 %) 40 (100 %) 40 (70 2 %)



Answer Tree 0 (0 %) 40 (100 %) 40 (70,2 %)

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Datenteilung und mögliche Anzahl von Modellen

1.000.000

100.000

lits

10.000

ssible spl

1.000

er of p

os

100

numbe

1

10

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

numberof pair of values



number of pair of values

15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Neural Network: Evaluation of quantity

N l N t k id ll i t ti b t th Neural Network consider all interactions between the sensors („not only one sensor is sensitive to one odour substance“)

Neural Networks have the highest potential of explaining the odour by evaluating the sensor signals (either „metric“ or „in categories“).

Multilayer PerceptronMultilayer Perceptron



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Neural Network: disadvantages

K bl k b “ d Known as a „black‐box“‐ procedure (it is complicated to interpret the assignment)

The assignment is instable (in a mathematical term: possible „chaotic behaviour“)

Necessary to validate the assignment : prediction ability is inevitable



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Neural Network: prediction from history

U f N l N t k b tili i hi t i d t Usage of an Neural Network by utilizing historic data often done to predict (forecast) stock prices etc. … example : price of Dubai crude oil



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Neural Network: prediction from history

U f N l N t k b tili i hi t i d t Usage of an Neural Network by utilizing historic data often done to predict (forecast) stock prices etc. … example: price of Dubai crude oil




t t ith th i f i t id i f ti i

Combination of NN and stochastic processeses

next step with the aim of improvement: use side information, in our case the signal of the electronic nose




lf t t i t d N t i th

Combination of NN and stochastic processeses

n olfactometric measurement and n eNose measurement in the past are considered to estimate the odour for the (n+1) eNose

t l timeasurement evaluation

µolfµolfn olfactometric measurements

σolf

µeNose

n+1

µeNose

n eNose measurements

σeNosemeasurements



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Combination of NN and stochastic processes

R lt f t ti f i Results so far: not very satisfying1.000.000

Olf ouE/m³

100.000

Olf. ouE/mmodel ouE/m³

10.000

m3

1.000

ouE/m

100

1

10

1

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101

106

111

116

121

126

131

no of measurement



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Zusammenfassung (1 von 3)

I Ab b i h k t i tä kt i d Im Abwasserbereich muss konsequenterweise verstärkt in der Flüssigkeit gemessen werden GEP‐Messung nach VDI 3885/1 (i E b it )(in Erarbeitung)

Olfaktometrie ist zeitaufwendig personalaufwendig, daher d teuer und nur offline (“historisch”) möglich

h f h h l k h d Daher ist es verführerisch, Elektronische Nasen zu verwenden, die alle o.a. Nachteile vermeiden




El kt i h N Elektronische Nasen können qualitativ die Olfaktometrie (noch) nicht ersetzen. Die Olfaktome‐

trie bleibt Referenzgröße!trie bleibt Referenzgröße! sind aber sinnvoll in vielen Anwendungen, insbesondere wo eine online‐

Messung erforderlich ist:g Anlagenüberwachung Regelgröße in Regelkreisen …




W i t d it b ht Was ist derzeit zu beachten:Nötig ist eine sorgfältige Vermeidung/Minimierung der möglichen

FehlerquellenFehlerquellen ungelöst erscheint derzeit u.a. das Problem von Sensordrift /

SensoralterunggMathematische Modellvoraussetzungen und Modellemüssen sorgfältig

geprüft werden Eine reine Erklärung reicht nicht aus. Notwendig ist der Beweis der

Prognosetauglichkeit durch Datensplitting (was bisher aber meist – aus l h G ü d hl t l i d)welchen Gründen wohl – unterlassen wird)

Eine Anpassung auf den Einsatzort ist – ob man es wahrhaben will oder nicht – unerlässlich Das ist nicht preiswert entscheidet aber über Nutzennicht unerlässlich. Das ist nicht preiswert, entscheidet aber über Nutzen oder Unsinn (=Geldverschwendung)!



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Und zum Schluss

l k f h f k k !Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese (und mehr) Vortragsfolien können Sie downloaden:

k l d \fb \www.uni‐kassel.de\fb14\siwawi



15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Und ganz zum Schluss

Der WasserrucksackPAUL“„PAUL“

Wasser für Menschen in kleinen DörfernWasser für Menschen in kleinen Dörfernbei Katastrophen

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BundessiegerG ll h ft“Unit for

L ifesaving„Gesellschaft“

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