Pflanzenschutztechnik: Kaum ein Bereich der Landwirtschaft sieht sich aufgrund gesellschaftlicher und politischer Anforderungen so unter Innovationsdruck – nicht zuletzt auch durch die digitale Transformation, den Fortschritt der Sensorik und die Künstliche Intelligenz.
Minimierung ist das Credo der Stunde, effiziente Landwirtschaft im Einklang mit Ressourcensparen und Nachhaltigkeit – für Feldspritzen bedeutet das: die Ausbringmenge drastisch reduzieren.
Das Ausbringen von flüssigen Wirkstoffen in der Landwirtschaft ist jedoch unumgänglich. Aus Sicht der Umwelt und der Einsparung von Ressourcen ist die partielle, rückverfolgbare und optimal dosierte Anwendung der Mittel essenziell.
Die Reduzierung der Ausbringmenge hat dabei einen positiven Einfluss auf die Geldbeutel der Landwirte, die reichlich Ressourcen einsparen können.
Wie aber die Mittel genau da ausbringen, wo sie dann auch gebraucht werden? Ein technologischer Trend der letzten Jahre ist Pulsweitenmodulation (PWM), bei der durch schnelles Öffnen und Schließen eines elektrisch gesteuerten Ventils die Ausbringmenge eingestellt wird, genauer über die Öffnungsdauer des Ventils (Pulsweite). In Kombination mit Offline-Applikationskarten, kartographiert von Drohnen oder Satelliten, oder durch aufwendige Online-Steuerungen wie Sensordaten oder Kamerasysteme, können Beikrautnester direkt, und nur da, wo auch wirklich notwendig, besprüht werden.
Die Landwirte sind bezüglich PWM-Technik allerdings zögerlich. Die komplexen Aufbauten auf der Maschine, Einstellungen am Gerät, Verlegung der Kabelbäume und die aufwendige Energieversorgung von teilweise 1A pro Ventil, teilweise sogar 48 Volt, lassen die Technik als nicht sonderlich nachrüstfreundlich erscheinen. Zusätzlich müssen die übergeordneten Rechner viele Regel- und Stellaufgaben übernehmen, die es alle zu parametrieren gilt. Darüber hinaus haben viele Systeme eine mittelmäßig gute Querverteilung, die vom Landwirt nach dem Aufbau bei allen PWM-Einstellungen kontrolliert werden muss.
Basierend auf diesen Erkenntnissen hat IWN das pulsweitenmodulierte (PWM) Ventil VariQspray pro entwickelt. Bei der Entwicklung war das Ziel, ein nachrüstbares und für den Anwender bezahlbares System aufzubauen, um die Vorteile der PWM-Technologie flächendeckend verfügbar zu machen.
Laut IWN ist die PWM-Nachrüstung je nach Ausführung 25 bis 30 Prozent günstiger als vergleichbare Systeme.
VariQspray pro hat einen präzisen und reproduzierbaren Einstellbereich von 20–100 Prozent, kommt dabei mit nur einem Düsenkaliber aus und ist im Spotbetrieb einsetzbar. Der Aufbau des Ventils ist zum Korrosionsschutz mediengetrennt. Das heißt, der Magnetbereich kommt zu keinem Zeitpunkt in Kontakt mit Flüssigkeiten. Trotz der hohen Varianz der Mitteldosierung hat das Sensorventil eine permanente Funktions- und Durchflussüberwachung für eine lückenlose und punktgenaue Dokumentation der Ausbringmenge per GPS bei einem Stromverbrauch von <200 mA. Die Querverteilung regelt sich durch kontinuierliche Messungen in jedem Regelzyklus selbst. Vier Ventile sind jeweils überlappend, was den Durchfluss im Gestänge beruhigt und minimale „blinde Flecken“ im Spritzbereich eliminiert.
Nachrüstung einfach möglich
VariQspray pro wird für die Nachrüstung als Komplettsatz mit Jobrechner und Kabelbaum angeboten. Der simple und intelligente Aufbau ist in seiner Funktion sowie der Selbst-Adressierung der Ventile am Kabelbaum weitgehend autark, die übergeordneten Rechner müssen ihre Ausbringwerte nur in Prozent an die Ventile übersenden, die Ausbringmenge übersetzen diese automatisch. Der Regelzyklus (Dutycycle) der Ventile wird über die Ausbringmenge verstellt; je kleiner die Ausbringmenge, desto höher die PWM-Frequenz.
Der komplette Systemaufbau anhand des durchgehenden Kabelbaums auf dem Spritzbalken ist auf die Nachrüstung bestehender Maschinen ausgelegt. Die Materialien der Ventile sowie der Dichtungen sind im Feld umfangreich erprobt. Die Dichtungen lassen sich bei Verschleiß durch minimalen Aufwand ersetzen, ohne ganze Ventile austauschen zu müssen.

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Einbausituation des smarten Ventils am Spritzgestänge.

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Das Sensorventil VariQspray pro mit Kabelverbindung und Stecker.
Funktion
Das IWN Sensorventil VariQspray pro ist ab einem Systemdruck von 1,5 bar stromlos geöffnet. Der Fluidfluss unterstützt die Öffnungsbewegung, und für die Schließbewegung wird wegen der kleinen Magnetwege eine geringe Schaltleistung benötigt. Ein Tropfschutz in allen Betriebszuständen ist integriert, dieser ist ab 1 bar geöffnet und kleiner 0,5 bar geschlossen. Im Systemausfall ist ein Notfallbetrieb möglich. Die Nachtropfsicherung beeinflusst nicht den Systemdruck. Ein Sensor überwacht den Systemdruck. Kommt es im Betriebszustand durch Einschalten der Pumpe zu einer Druckerhöhung, schließt die Elektronik die Ventile sofort. Dies ermöglicht die Nachrüstung von Spritzen mit Ringleitung.
Die Schaltzeiten des Ventils sind mit <10 ms sehr klein. Der grundsätzliche Stromverbrauch liegt bei 50 Prozent PWM-Betrieb bei weniger als 200 mA bei einem maximalen Arbeitsdruck von 8 bar. Die Varianz der Querverteilung liegt dabei bei < 3 Prozent.
Im PWM-Betrieb liegt die Taktung bei bis zu 25 Hz, was ein wichtiger Faktor für die gute Längsverteilung ist. Bei großen Ausbringmengen wird die Taktung bis auf 7 Hz runtergeregelt.
Mit dem großen Stellbereich von 20–100 Prozent Ausbringmenge können bis zu sechs Düsenstufen überbrückt werden. Die Ausbringmenge wird automatisch eingestellt und geregelt ausgebracht.
VariQspray, ohne PWM preisgünstiger
Mit VariQspray hat IWN zusätzlich ein Schaltventil entwickelt. Der kleine Bruder des PWM-Ventils ist ebenfalls ausgelegt für die einfache Nachrüstung. VariQspray ist stromlos geschlossen, die patentierte, mediengetrennte Magnet-Vorsteuerung hat einen geringen Schaltstrom von < 250 mA. Der Arbeitsdruck liegt bei 0 bis 8 bar und hat sehr kleine Schaltzeiten von < 20 ms. Auch VariQspray hat sehr geringe Montagezeiten durch die Shakehand- und CAN-Bus-Verdrahtung am zentralen Kabelbaum, der über den Spritzbalken verlegt wird. Als „Light-Variante“ zu VariQspray pro kann hier die Ausbringmenge nicht gesteuert werden, ist aber Spotspray- und Section-Control-fähig.
Für weitere Informationen zu VariQspray und VariQspray www.iwn.de/variq oder bei Fragen info @ iwn.de
Hintergrund – Was ist PWM?
Pulsweitenmodulation (PWM) beschreibt ein Rechtecksignal, das bei konstanter Periodendauer zwischen zwei Spannungspegeln oszilliert, sich also in sehr schnellen Abfolgen aus- und wieder einschaltet.
Die Frequenz der Öffnungs- und Schließzyklen wird dabei in Hertz (Hz) beschrieben, die Länge des Öffnungs-Zyklus ist die Pulsweite.
Bei Feldspritzventilen ermöglicht Pulsweitenmodulation (PWM) die präzise Steuerung der Durchflussmenge von Flüssigkeiten direkt an der Düse. Die PWM-Ventile sind magnetisch, also elektrisch gesteuert und öffnen und schließen bis zu 25-mal pro Sekunde, was einer 25-Hertz-Taktung entspricht.
Direkte Steuerung der Durchflussmenge von Spritzflüssigkeit durch die Pulsweite, bei gleichbleibendem Druck, gleichbleibender Tropfengröße und nur einem Düsenkaliber – das sind die Vorteile von PWM in der Pflanzenschutztechnik.