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Vom Labortest zur Integration in das betriebliche Qualitätsmanagement:

Machbarkeitsstudie für die Hyperspektralanalyse

(Fachartikel, Prozesstechnik – 16. November 2020)

Hyperspektralkameras geben Aufschluss über die chemische Zusammensetzung von Produkten. Beim rechten Apfel macht die Hyperspektralanalyse Druckstellen in Form von Wassereinlagerungen sichtbar.
Bild: Perception Park

Standard-Bildverarbeitungslösungen stoßen bei umfassenden Qualitätsbewertungen von Lebensmitteln oft an ihre Grenzen. Hyperspektralkameras können durch die Erfassung von elektromagnetischen Spektren zusätzlich chemische Informationen abrufen und so fehlerhafte Ware eindeutig identifizieren. Ob sich die Integration eines entsprechenden Systems in das betriebliche Qualitätsmanagement lohnt und wie es ausgestattet sein muss, lässt sich mit einer Machbarkeitsstudie herausfinden.

Automatisierte Prüfprozesse durch bildverarbeitende Verfahren haben schon vor langer Zeit Einzug in die Lebensmittelindustrie gefunden. Eine besonders zuverlässige Technologie ist hierbei die Hyperspektralanalyse. Sie erweitert den Einsatzbereich der Bildverarbeitung über die herkömmlichen Farb- und Grauwertkameras hinaus. Spezielle Hyperspektralkameras, wie sie zum Beispiel die PSI Technics GmbH anbietet, sind in der Lage elektromagnetische Spektren zu erfassen. Die daraus gewonnenen Daten ermöglichen eine eindeutige Identifikation von Fehlern und chemischen Zusammensetzungen, die mit der Einzigartigkeit eines Fingerabdrucks vergleichbar ist. Diese Ergebnisse erlauben eine nahezu 100 %ige Prüfung der Produktqualität.

Druckenstellen an Obst können mit Hyperspektralkameras berührungslos erkannt werden. Die Äpfel wurden mit verschiedenen Filtern aufgenommen. Im Bild sieht man einen Auszug aus der Auswertungssoftware mit Analyseergebnissen.
Bild: Perception Park

Auch Verpackungen wie Siegelnähte lassen sich kontrollieren, wodurch die Haltbarkeit oder die Hygiene des Produktes gewährleistet wird. Doch wie lässt sich bewerten, ob ein Hyperspektralsystem notwendig ist und wie lässt sich ein solches Produkt in bestehende Anlagen und Prozesse integrieren?

Vorgeschalteter Fragenkatalog

Antworten auf diese Fragen gibt eine Machbarkeitsstudie von PSI Technics. Sie bietet Lebensmittelherstellern eine Grundlage für die Entscheidung, ob und wie ein Hyperspektralanalysesystem in das betriebliche Qualitätsmanagement implementiert werden kann. Ein Beispiel soll den dahinterstehenden Prozess verdeutlichen: Ein Lebensmittelhersteller benötigt eine zuverlässige Qualitätsprüfung für die gelieferten Produkte. Schädigungen und Befall sollen erkannt und bewertet werden. Im ersten Schritt erhält er einen Fragenkatalog, der Vor-Ort-Begebenheiten, technische Voraussetzungen und Anforderungen an das System und die Datenqualität erfasst. Erste Anforderungsdefinitionen zeigen, dass die Ware in ihrem rohen, angelieferten Zustand kontrolliert und zusätzlich hinsichtlich ihres Qualitätsgrades beurteilt werden soll. Eine weitere Anforderung an das System ist, dass es outdoor-fähig sein soll.

Nach der Beantwortung der Fragen führt PSI Technis mit dem Hersteller ein Gespräch. Dabei werden die gewonnen Informationen in einen Kontext gesetzt, der es ermöglicht, dem Unternehmen ein grobes Bild einer möglichen Lösung zu geben. Anschließend findet die eigentliche Machbarkeitsstudie statt. Sie lässt sich grundsätzlich in zwei Bereiche einteilen, in den Labortest und die Vor-Ort-Analyse.

Erster Schritt: Labortest

Mit dem Labortest lässt sich die Effizienz des Hyperspektralanalysesystems für ein bestimmtes Prüfobjekt bewerten. Dieses Prüfobjekt kann unter optimalen Bedingungen in einem voll ausgestatteten Labor untersucht und klassifiziert werden. Die Anforderungen an den Produzenten selbst sind an diesem Punkt minimal. Mindestvoraussetzung ist die Bereitstellung von Proben. Dabei sollen sowohl einwandfreie als auch fehlerhafte Proben zur Verfügung gestellt werden. Das vorhandene System im Labor ist so ausgelegt, dass die verschiedenen Proben in über 200 Spektralbereichen analysiert werden. Die gewonnenen Ergebnisse werden daraufhin klassifiziert und in einer Datenbank zusammengestellt. Das Ergebnis zeigt, ob die fehlerhaften Proben eindeutig von der Referenzprobe zu unterscheiden sind. Zudem lässt sich im Labortest herausfinden, welche Kriterien ein Hyperspektralsystem erfüllen muss, um die Waren zu unterscheiden und den Anforderungen des Produzenten zu entsprechen.

Auch individuelle Kundenwünsche können im Labortest berücksichtigt und bewertet werden. Im oben genannten Beispiel steht die Datenerfassung mithilfe einer speziellen Software im Vordergrund. Erfasste Daten sollen gesammelt und vielfältig verarbeitet werden, um eine Aussage über die Qualität der Lieferanten zu treffen. Die Software erlaubt neben der Generierung von Statistiken auch die Visualisierung der gewonnen Daten und die Kontrolle der Hardware. Im Fallbeispiel soll die Software die Ware nicht nur binär bewerten (in Ordnung oder nicht in Ordnung), sondern die Fehlerbefunde auch quantitativ auswerten, sodass der Befall prozentual erfasst werden kann. Die Aktivierung des Systems wird durch ein Trigger-Signal ausgelöst. Eine Lichtschranke erkennt, dass Produkte unter dem System hindurch befördert werden, woraufhin das Trigger-Signal das Hyperspektralsystem einschaltet.

Der Aufbau für die Hyperspektralanalyse im Labor von PSI Technics besteht aus der Hyperspektralkamera, einem Gehäuse, einer Beleuchtung und einer Kühlung. Im Bild ist die Gehäuserückseite zu sehen.
Bild: PSI Technics/Kai Myller

Zweiter Schritt: Vor-Ort-Analyse

Der nächste Schritt ist eine Vor-Ort-Analyse. Sie gibt einen neuen Blick auf die zu berücksichtigenden Kriterien der Systemlösung. Die Faktoren "Integration" und "Umwelteinflüsse" wie Feuchtigkeit, Beleuchtung oder Vibration sind nur einige dieser Kriterien. Beim Hersteller aus dem Fallbeispiel wird die Ware in der Nähe des geplanten Aufbaus gekocht. Die übermäßige Feuchtigkeit erzeugt eine Schädigung, die zwar mit einem entsprechenden Gehäuse verhindert werden kann, aber die aufgenommenen Spektren beeinflusst und dadurch Validität und Reproduzierbarkeit der Daten gefährdet. Erschwerend kommt hinzu, dass die Waren in der Nähe des Systems entladen werden. Fallen dabei Produkte zu Boden, entstehen Vibrationen, die die Positionierung der Kamera und somit die Aufnahmen beeinflussen.

Am Ende der Labortests und der Vor-Ort Begehung wird ein ausführlicher technischer Bericht erstellt. Dieser wird in einem gemeinsamen Gespräch näher erläutert. Zudem wird dem Hersteller der Aufbau eines Prüfsystems beispielhaft skizziert. Ab diesem Punkt kann er entscheiden, ob er ein solches System implementieren möchte oder nicht.

Die weitere Implementierung beinhaltet die konkrete Festlegung aller Systemanforderungen in einem Lastenheft, die Konstruktion und die Inbetriebnahme des Systems.

Autor: Karl-Heinz Förderer, Geschäftsführer PSI Technics GmbH

VIDEO: Industrielle Bildverarbeitung in der Lebensmittelindustrie

Beim Essen vertrauen wir in die Qualität der Lebensmittel. Deshalb ist Kontrolle in dieser Branche so wichtig.

Unsere bildverarbeitenden Systeme geben Ihnen Produktsicherheit. Sie erkennen Kunststoffteile auf auf Frischwaren wie Wurst und Käse oder Glassplitter im Joghurt. Sie prüfen Verpackungen auf Luftdichtigkeit und kontrollieren Mengen oder Zusammensetzungen.

Unsere Systeme machen Prozesse reproduzierbar und Fehler nachvollziehbar. Sie schaffen Transparenz und liefern die Grundlagen für Ihre unternehmerischen Entscheidungen.

Kontakt:
PSI Technics
Karl-Heinz Förderer
An der Steinkaul 6a
D-56333 Winningen
Tel.: +49 (0) 2630 91590-0
E-Mail: info@psi-technics.com