Masseteilchenerfassung in Luftströmen

Für eine präzise und kontrollierte Aussaat erfordert die moderne Sätechnik eine sensorische Erfassung der ausgebrachten Kornanzahl pro Zeit (Kornfrequenz). Nur so kann ein homogener Feldaufgang und ein optimaler Ernteertrag erzielt werden. Bei pneumatischen Drillmaschinen treten aufgrund der großen Arbeitsbreiten (bis zu 18 m) und hohen Arbeitsgeschwindigkeiten dieser Maschinen sehr hohe Kornfrequenzen von bis zu 15 kHz auf. Eine sensorische Erfassung der Kornfrequenz ist daher mit einer komplexen Problematik verbunden. Die Genauigkeit der Aussaat hängt derzeit von der Kalibrierung des Dosieraggregats ab, welche mit einer manuellen „Abdrehprobe“ ausgeführt werden muss und ist damit nicht gesichert. Die Regelung der Drehzahl des Dosierrotors unter Berücksichtigung der permanent gemessenen Kornfrequenz bietet daher ein großes ökonomisches Verbesserungspotential.

Neben piezoelektrischen Sensoren eignen sich prinzipiell auch kapazitive, optische oder eine Kombination dieser Verfahren. Das ausgewählte piezoelektrische Wirkprinzip basiert auf einer berührenden Messung. Die mechanische Energie wird beim Aufprallen eines Zählobjekts auf die Sensorfläche in Form eines Kraftimpulses in eine elektrische Energie umgewandelt (direkter piezoelektrischer Effekt). Im Verteilerkopf erfahren die Körner ihre maximale kinetische Energie und treffen damit auf eine Prallplatte. Hier kann der gesamte Saatgutstrom erfasst werden. Mit speziellen Winkelelementen kann zusätzlich die Verteilung in den einzelnen Saatschläuchen bestimmt werden. So können beispielsweise Verstopfungen in einzelnen Schläuchen frühzeitig erkannt werden und es besteht die Möglichkeit mit einer entsprechenden Aktorik eine homogene Verteilung der Saatkörner zu erzielen. Neben einer hohen Genauigkeit und Empfindlichkeit muss das Sensorsystem äußerst Robustheit sein, um in den rauen Bedingungen langfristig bestehen zu können.

Um die geforderten Spezifikationen erfüllen zu können, wurde ein besonderer mehrschichtiger Sensoraufbau entwickelt. Mit diesen "Sandwich-Konzept" erzeugen die angeregten Sensorelemente hochfrequente gedämpfte Schwingungsimpulse. So können Saatkörner mit einer Auftrefffrequenz von bis zu 20 kHz je Sensorelement erfasst werden. Gleichzeitig ist die Empfindlichkeit über die gesamte Sensorfläche homogen und sehr hoch, sodass selbst Feinsämereien wie Raps erkannt werden können. Das Sensorarray ist skalierbar und kann an unterschiedliche Leitungsquerschnitte angepasst werden. Jedem Sensorelement ist eine spezielle Auswerteelektronik zugeordnet, welches die Sensorsignale in binäre Ausgangssignale umwandelt. So können gleichzeitige Auftreffereignisse auf unterschiedlichen Sensorelementen erfasst und diesen wieder zugeordnet werden. Das verwendete Mikrocontrollersystem basiert auf der Verarbeitung von asynchronen Unterbrechungen. Die Verarbeitungszeit dieser Signale ist so gering, dass sie keinen Engpass im Gesamtsystem darstellt.

Das Sensorsystem wurde bereits am 04.11.2009 im Prototyp-Stadium zum Patent angemeldet und wird derzeit weiter optimiert. Aufgrund der Skalierbarkeit des Sensorarrays ist das System vielfältig einsetzbar, sodass die Erschließung von weiteren Anwendungsgebieten durchaus denkbar ist.

Diese Arbeit wird im Rahmen eines Verbundprojekts mit der Firma Müller-Elektronik, Salzkotten durchgeführt und von der Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) mit dem Förderkennzeichen 511-06.01-28-1-53.38-07 gefördert.