Magazin Getreidetechnik

Mähdruschtechnik :

Live-Report aus der Reinigung

Neue Sensorgeneration ermöglicht eine schnellere und exakte Kontrolle des Kornabscheideprozesses in Mähdreschern

Mähdruschtechnik: Live-Report aus der Reinigung

Christian Korn von der TU Dresden demonstriert an dem Modell der Mähdrescher-Reinigungsanlage mit Sensorpaaren an der Siebunterseite, das auch auf der Agritechnica 2017 zu sehen war, die Funktionsweise der Messung.

Moderne Mähdrescher sind bereits hochautomatisiert und mit intelligenten Steuerungen ausgestattet. Dennoch gibt es in den einzelnen Funktionsgruppen der Erntemaschinen noch Verbesserungspotenzial. Eines davon ist die Erfassung der Körnerverluste, die in den Trenn- und Abscheideorganen auftreten. Sie sind ausschlaggebend für die Arbeitsqualität dieser Geräte und – weil sie mit steigendem Erntegutdurchsatz progressiv zunehmen – zugleich ein begrenzender Faktor für die Produktivität des Mähdreschers insgesamt. Eine frühzeitige und exakte Erkennung von Körnerverlusten ist damit zugleich eine Voraussetzung für die weitere Automatisierung sowie die Erhöhung des Bedienkomforts.

Piezoeffekt für Einstellung zu ungenau

Getreideverlustsensoren gibt es bereits seit einigen Jahren. Sie sitzen am Ende des Schüttlers oder der Abscheiderotoren bzw. der Reinigungsanlage und arbeiten hauptsächlich piezoelektrisch. Dabei verursachen die im Gutstrom verbliebenen Körner beim Aufprall auf mikrophonähnlichen Platten Impulse. Die Häufigkeit der registrierten Impulse in einer bestimmten Zeiteinheit dient als Signal für die Verlustanzeige in der Fahrerkabine. Im Gegensatz zu den Sensoren für Sauberkeit und Kornschäden, deren Aussagekraft und Systemeinbindung sich in den vergangenen Jahren unter anderem durch bildgebende Verfahren stetig verbesserte, wurden die Kornverlustsensoren nur geringfügig weiterentwickelt und benötigen weiterhin eine manuelle Kalibrierung. „Piezoelektrische Sensoren in heutigen Mähdreschern sind zwar robust und kostengünstig, aber sie erfassen nur einen sehr kleinen Teil des Massestroms und sie können kaum zwischen Getreide und Nichtkornanteilen unterscheiden. Für eine automatische Maschineneinstellung sind sie daher ungeeignet“, verweist Christian Korn auf einen wesentlichen Nachteil dieses Messprinzips. Der Wissenschaftler am Lehrstuhl für Agrarsystemtechnik der Technischen Universität Dresden arbeitet gemeinsam mit Elektronikexperten des Nutzfahrzeugzulieferers Miunske und Spezialisten des Kunststoffverarbeiters HKM an der Entwicklung einer neuen Sensorgeneration zur Erfassung und Steuerung der Arbeitsqualität von Mähdrescher-Reinigungsanlagen.

Neuer Ansatz kehrt Messprinzip um

„Bei unserem Ansatz kehren wir das Messprinzip um. Das heißt, wir schauen nicht darauf, was nach der Reinigung noch im Gutstrom verblieben ist, sondern erfassen zunächst einmal den gesamten ausgesiebten Kornfluss“, erläutert der Diplomingenieur. Dafür befindet sich zwischen Ober- und Untersieb ein optisches Erfassungssystem. Es besteht aus jeweils zwei gegenüberliegenden Komponenten, wobei auf der einen Seite Leuchtdioden einen Fächer aus sichtbarem roten Licht abstrahlen, das auf der anderen Seite von einer Reihe Photozellen aufgefangen wird. Über die gesamte Länge des Siebes sind an dessen Unterseite solche Paare aus Lichtsender und -empfänger angeordnet. Die optischen Sensoren erfassen damit – ergänzt durch Interpolation der verbleibenden Räume zwischen den Lichtfächern – den gesamten Kornstrom, der beim Herabfallen die Photodioden je nach Intensität unterschiedlich stark beschattet und entsprechende Spannungsänderungen als Messwert hervorruft. Dies lässt sich in Form einer charakteristischen Abscheidekennlinie darstellen. Aus dem Verlauf der Kurve und der Lage des Abscheidemaximums entlang des Siebes lässt sich mit einer mathematischen Formel, die auf langjährigen Labor- und Feldversuchen basiert, der Kornverlust mit hoher Genauigkeit errechnen.

Die photometrische Detektion der Getreidekörner ist sicher eine ingenieurtechnisch elegante und wegen der Einbeziehung eines wesentlich größeren Teils des Massestroms in die Messung auch eine genauere Kornverlustanzeige. Aber die Ursachen eines Abfalls der Reinigungsqualität bei durchschnittlichen Erntebedingungen blieben bei einer Beschränkung auf diesen Kennwert weitgehend im Dunkeln. Daher verbaute das sächsische Entwicklerteam in den Gehäusen der optischen Sensorpaare sogenannte Heißfilmsensoren zur Erfassung der Luftströmungsgeschwindigkeit. Sie bestehen aus einem winzigen Metallblättchen, das durch elektrischen Strom auf einem bestimmten Temperaturniveau gehalten wird. Kühlt ein Luftstrom, wie ihn das Gebläse der Reinigung erzeugt, das Blättchen ab, wird mehr Strom benötigt, um dessen vorgegebene Temperatur zu halten. Je kräftiger der Luftstrom, desto größer der Kühleffekt und um so höher der messbare Strombedarf.

Da sich die Heißfilmsensoren in jedem Gehäuse der einzelnen optischen Sensoren befinden und daher wie diese über die gesamte Länge der Siebunterseite verteilt sind, registrieren sie die vom Gebläse erzeugte Luftströmung ebenfalls differenziert an den unterschiedlichen Punkten entlang der Siebe des Reinigungsgerätes. „Mehrere Forschungsarbeiten belegen, dass die insbesondere von der Gebläsedrehzahl, vom Durchsatz und von der Sieböffnung beeinflusste Verteilung des Luftstroms in hohem Maße die Effizienz des Trennprozesses bestimmt“, unterstreicht Korn die Bedeutung dieses erstmals für die Ermittlung der Reinigungsleistung erfassten Kennwertes.

Die Sensorpakete unter den Reinigungssieben messen entlang der gesamten Sieblänge den Kornmassestrom und die Intensität des vom Gebläse erzeugten Luftstroms.

Die Sensorpakete unter den Reinigungssieben messen entlang der gesamten Sieblänge den Kornmassestrom und die Intensität des vom Gebläse erzeugten Luftstroms.

Jeweils gegenüber der Leuchtdiode, die einen Fächer aus rotem Licht sendet, befindet sich eine Reihe von Photozellen. Sie messen die durch den Kornstrom verursachte Lichtdämpfung.

Jeweils gegenüber der Leuchtdiode, die einen Fächer aus rotem Licht sendet, befindet sich eine Reihe von Photozellen. Sie messen die durch den Kornstrom verursachte Lichtdämpfung.

Kombi-Signal für automatische Regelung

Die Kombination der beiden prozessrelevanten Signale – nämlich zum einen vom optisch erfassten Kornstrom, dessen charakteristische Abscheidekurve Rückschlüsse auf den aktuellen Kornverlust und die Kornverteilung entlang der Siebe ermöglicht, und zum anderen von der gleichzeitig mit Heißfilmsensoren gemessenen Stärke sowie Verteilung des Luftstroms in der Reinigung – liefert die Basis für eine automatische Justierung. Der Forscher verdeutlicht die Möglichkeiten der doppelten Signalauswertung an einem Beispiel: „Verringert sich etwa die Abscheidung und erhöht sich parallel dazu die Strömungsgeschwindigkeit im hinteren Bereich des Siebes, deutet das auf eine zu dicke Gutschicht im vorderen Siebbereich hin. Ein noch zu entwickelnder Regelalgorithmus würde dann die Lamellen weiter öffnen, die Gebläsedrehzahl erhöhen, die Fahrgeschwindigkeit verringern oder eine Kombination dieser Maßnahmen als Gegenstrategie einleiten.“ Ziel sei es, auch bei schwankendem Massedurchsatz, unterschiedlichem Terrain oder wechselnder Umgebungs- und Pflanzenfeuchte automatisch eine gleichbleibend optimale Maschineneinstellung zu gewährleisten.

Ein interessanter Zusatznutzen ergibt sich nach Ansicht von Christian Korn auch durch den Vergleich der Signale aus den Sensorpaketen, die ja in Längsrichtung des Mähdreschers nebeneinander liegen. Werden bei Schräglage des Mähdreschers auf der tiefer liegenden Seite mehr Körner abgeschieden als auf der anderen, während sich die Strömungsgeschwindigkeit umgekehrt verhält, weil die Gutschicht auf dem höheren Sieb dünner ist, könne ein Regelmechanismus greifen, um die Kornverluste zu minimieren.

Der Hersteller John Deere, der das Forschungsvorhaben unterstützte, plant, die neuen Kombisensoren zur Kontrolle und Regelung des Kornabscheideprozesses gemeinsam mit dem Zulieferer Miunske bis zur Marktreife zu führen und in naher Zukunft in seinen Mähdreschern einzusetzen.

Wenn der Kornstrom den Lichtfächer zwischen den optischen Sensorpaaren unter dem Reinigungssieb passiert, entsteht die charakteristische Abscheidekennlinie, aus der sich der Kornverlust errechnen lässt.

Wenn der Kornstrom den Lichtfächer zwischen den optischen Sensorpaaren unter dem Reinigungssieb passiert, entsteht die charakteristische Abscheidekennlinie, aus der sich der Kornverlust errechnen lässt.

In jedem Gehäuse des optischen Sensors für den ausgesiebten Kornstrom ist ein winziger Heißfilmsensor zur Erfassung der Luftströmungsgeschwindigkeit integriert.

In jedem Gehäuse des optischen Sensors für den ausgesiebten Kornstrom ist ein winziger Heißfilmsensor zur Erfassung der Luftströmungsgeschwindigkeit integriert.


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