Analyse, Modellierung und Management komplexer Messvorgänge in der Chemie

Abstract

Messdaten sind vielfach die Grundlage zur Erforschung empirischer Zusammenhänge und zur Gewinnung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse. Die Abbildung von physikalischen Größen auf numerische Werte übernimmt ein Messgerät oder eine gesamte Messeinrichtung. Philosophisch betrachtet ist die Messung ein Hilfsmittel für den Prozess der Wahrnehmung. Dabei wird zwischen Sensorischer Wahrnehmung und rationaler Wahrnehmung unterschieden. Bei einer Messung erhält das Subjekt durch sensorische Wahrnehmung ein Bild über die reale Welt, bzw. über die Eigenschaften einer realen Umgebung, während die rationale Wahrnehmung die Analyse, Synthese, Auswertung, usw. dieses Bildes betrifft. Die Eigenschaften einer Messumgebung werden durch ihre Zustände ausgedrückt und bilden hiermit den Vorrat für den Wahrnehmungsprozess. Die Abbildung des Zustands einer Eigenschaft auf einen numerischenWert ist die Messung des Zustands bzw. der Wert der Eigenschaft. Mit zunehmender Komplexität der messtechnischen Fragestellung ist es schwierig, dem Subjekt ein unverzerrtes und gut korreliertes Bild der realen (Mess-) Umgebung zu präsentieren. Dabei spielt die korrekte Abbildung der Relationen zwischen den Eigenschaften eine wichtige Rolle. Das Zusammenspiel unterschiedlicher Messgeräte ist aus Kompatibilitätsgründen oft nicht möglich oder gestaltet das Messsystem träge, was zu erheblichen Verzerrungen im Gesamtergebnis führt. Die rationale Wahrnehmung wird folglich von einer Unsicherheit beeinflusst und bildet vor allem bei indirekten Messungen eine kritische Angelegenheit. Am Beispiel eines Scanning Electrochemical Microscopes (SECM) ist dies deutlich zu erkennen. Der Strom einer Mikroelektrode ist sowohl ein Maß für die Oberflächenaktivität eines Substrates als auch ein Maß für den Abstand zum Substrat selbst. Die dadurch erforderliche korrelierte Messung bzw. Regelung des Abstands im Submikrometerbereich stellt eine schwierige messtechnische Aufgabe dar. Vorliegende Arbeit präsentiert theoretische und softwaretechnische Aspekte, um komplexe Datenerfassungs- und Steuerprozesse durchzuführen, ohne dabei wichtige Information zu verlieren, damit ein möglichst unverzerrtes Bild der Messumgebung aufgenommen werden kann.

Measurement data is the basis for the investigation of empirical relations and for the winning of natural scientific knowledge. The mapping from physical dimensions to numerical values is done by a measurement device or a whole measurement system. In terms of philosophy, the measurement is a medium for the cognition process. There exist two forms of congnition: sensory cognition and rational cognition. By sensory cognition the subject gains an image of the surrounding reality, while rational cognition concerns the analysis, synthesis, etc. of the image acquired. The reality consists of a series of qualities which are expressed by its states. The mapping of a state to a numerical value is the measurement of the state or the value of the quality respectively. The presentation of an unbiased image, showing the proper correlations between qualities, is a big challenge when complexity of the metrological question increases. Because of incompatibilities, the interaction between different measurement devices is often not possible or leads to big timing troubles, which is the cause of distortions in the image produced. Rational cognition, in this case, becomes influenced by an uncertainty, which is critical; especially in indirect measurements. This can be seen at the example of a Scanning Electrochemical Microscope (SECM) where the current is a measure of the surface reactivity of a substrate as well as a measure of the distance to the substrate itself. Hence, the distance measurement in the submicrometer range is a difficult metrological task. This work introduces theoretical and softwaretechnological aspects to perform data capture and control processes without losing important information and therefore to produce an undistorted image of reality.