Statistische Versuchsplanung und Optimierung · G. TAGUCHI nach D. SHAININ klassische Methoden...

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Praktikum Umweltanalytik Statistische Versuchsplanung Seite 1 von 9 Statistische Versuchsplanung und Optimierung Ziel: Anwendung der statistischen Versuchsplanung zur Optimierung von Analysen- verfahren bzw. chemischen Prozessen Betreuer: Dipl.-Chem. Gisa Baumbach IAAC, Lehrbereich Umweltanalytik Lessingstr.8, Raum 219 Tel.: (9) 48174 E-Mail: [email protected]

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Statistische Versuchsplanung und Optimierung

Ziel:

Anwendung der statistischen Versuchsplanung zur Optimierung von Analysen-

verfahren bzw. chemischen Prozessen

Betreuer:

Dipl.-Chem. Gisa Baumbach

IAAC, Lehrbereich Umweltanalytik

Lessingstr.8, Raum 219

Tel.: (9) 48174

E-Mail: [email protected]

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Grundlagen:

In der analytischen Chemie wird ein Messwert y (oder ein Analysenergebnis) häufig

durch einen oder mehrere Bestandteile des untersuchten Systems beeinflusst. Bei

der Ausarbeitung des Analysenverfahrens steht dann die Aufgabe, solche Einflüsse

qualitativ nachzuweisen und nachfolgend zu quantifizieren. Hierzu variiert man nach

einem gegebenen Plan alle diese Einflussgrößen gleichzeitig und beobachtet die

Auswirkungen auf das Messergebnis.

Prinzipien der Statistischen Versuchsplanung

Wiederholen bzw. Mehrfachrealisieren von Versuchspunkten

Zufallsreihenfolge bzw. Randomisierung

Blockbildung

Symmetrie

Nutzung des Raums der unabhängigen Variablen

Vermengen

Sequenzielles Experimentieren

Phasen der statistischen Versuchsplanung

Problemdefinition

Statistischer

Nachweis Problemanalyse

Parameter-

reduzierung

Versuchsplanung/

-durchführung

Versuchs-

auswertung

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Verfahren der statistischen Versuchsplanung

Beispiel - Abhängigkeit der Ausbeute einer chemischen Reaktion von drei

Einflussgrößen (Faktoren)

nach

R. A. FISCHER nach

G. TAGUCHI nach

D. SHAININ

klassische Methoden moderne Methoden

Vollständige Faktorenversuchspläne

Screening-Versuchspläne

Versuchsplanung nach TAGUCHI

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Es wird das Programm Statistica verwendet.

Erstellen der Eingabedatei, entsprechend der Vorgaben des Versuchsplans

Erstellen eines Versuchsplanes

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Einlesen der Daten

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Auswertung - Modellauswahl (alle Wechselwirkungen berücksichtigen) - Angabe der Effekte bzw. Koeffizienten (Standard)

(1)

(2)

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- "Interaktions-Plots" d.h. Kennzeichnung der Auswirkungen durch die Variation der Ausgangsparameter

Beispiele

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- Variation der verschiedenen Einflussgrößen (Temperatur, Konzentration, pH) Auswirkung auf die Ausbeute

z.B. 60 °C z.B. 5.5 mg/L

z.B. pH = 4

(1)

(2)

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- Darstellung Prognosewerte – beobachtete Werte

Durchführung:

Werten Sie zwei vorgegebene Datensätze mit Hilfe von Statistica aus.

Nach welchen Kriterien erfolgt die Auswahl der Faktorstufen und was muss bei deren

Auswahl berücksichtigt werden? Geben Sie den entsprechenden Versuchsplan

sowie die zur Auswertung gehörenden Tabellen und Graphiken an. Beantworten Sie

die angegebenen Fragen und begründen Sie Ihre Antworten. Sind die Ergebnisse

allgemeingültig?

Literatur:

[1] Kleppmann, W.: Taschenbuch Versuchsplanung: Produkte und Prozesse

optimieren, 3. überarb. Aufl., Hanser, München, 2003

[2] Scheffler, E.: Einführung in die Praxis der statistischen Versuchsplanung,

3. Aufl., Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Stuttgart, 1997

[3] Bandemer, H., Bellmann, A.: Statistische Versuchsplanung, 2. Aufl.,

Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt, 1979

[4] Klein, B.: Versuchsplanung DoE - Einführung in die Taguchi/Shainin-

Methodik, Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München, 2004

[5] Petersen, H.: Grundlagen der Statistik und der statistischen

Versuchsplanung: Band 2: Grundlagen der statistischen

Versuchsplanung, ecomed, Landsberg/Lech, 1991

[6] Deming, S.N., Morgan, S.L.: Experimental Design: A Chemometric

Approach, 2nd Ed., Elsevier, Amsterdam, 1993

[7] Morgan, E.: Chemometrics: Experimental Design, Wiley, Chichester, 1991