Statistische Versuchsplanung und Optimierung · G. TAGUCHI nach D. SHAININ klassische Methoden moderne Methoden Vollständige Faktorenversuchspläne Screening-Versuchspläne Versuchsplanung
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Praktikum Umweltanalytik Statistische Versuchsplanung
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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: gisa.baumbach@uni-jena.de
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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
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