Magazin Grünfutter- und Weidetechnik

SENSORTECHNIK :

Futter-Prüflabor immer an Bord

Ernteerfolg in Echtzeit: Sensoren und Kameras der neuesten Generation messen live während der Fahrt übers Feld nicht nur die Menge sondern auch die Qualität des Ertrages. Das hilft bei der Optimierung nachfolgender Arbeitsgänge.

SENSORTECHNIK: Futter-Prüflabor immer an Bord

Die Messung der Qualität des Häckselgutes bereits bei der Ernte, hier mit dem HarvestLab am John Deere Feldhäcksler, hilft bei der Optimierung nachfolgender Arbeitsgänge, zum Beispiel der Silierung.

Neue Chancen mit mobiler Analytik

Für Dr. Jürgen Kauke liegen die Vorteile auf der Hand. „Mit einem NIR-Sensor im Strom des Erntegutes, zum Beispiel eines Feldhäckslers, ist es möglich, berührungslos und im Sekundentakt eine breite Palette organischer Inhaltsstoffe gleichzeitig zu bestimmen“, so der Leiter des Versuchswesens Pflanze an der Landwirtschaftskammer Niedersachsen. Verbunden mit GPS-Daten eröffneten sich damit ganze neue Chancen bei der teilflächenspezifischen Bewirtschaftung, bis hin zur effektiven Dosierung von Siliermitteln oder der Vergütung des Erntegutes nach Qualität. Nicht zuletzt kann so die gesamte Lieferkette von der Erntemaschine bis zur Substratzusammensetzung für die Biogasproduktion bzw. zur Futtermischung für das Nutzvieh, oder bei der Lebensmittelproduktion bis zu Mühle und Händler lückenlos überwacht und dokumentiert werden. „Zwar ist die Messung mit einem NIR-Sensor wohl nie so genau wie eine Untersuchung im Labor, aber das wird durch die Vielzahl der Messungen mehr als wett gemacht. Das Gesamtergebnis ist einfach repräsentativer“, argumentiert der Wissenschaftler.

Das wird an einem Beispiel deutlich: Während bei der herkömmlichen Analytik etwa für ein 500 t Silo in der Regel drei bis fünf Proben zur Inhaltsbestimmung ins Labor gelangen, untersucht ein NIR-Sensor im Auswurfkrümmer des Häckslers, den der Gutstrom mit einer Geschwindigkeit von bis zu 200 km/h passiert, die gleiche Menge an etwa 9.000 Messpunkten.

Im Bereich Versuchswesen der LWK Niedersachsen arbeitet man seit vier Jahren mit einem NIR-Spektrometer vom Hersteller Polytec. „Das System besteht aus einem NIR-Sensorkopf, der über ein Glasfaserkabel mit dem eigentlichen Spektrometer in der Schlepperkabine verbunden ist“, beschreibt Dr. Jürgen Kauke den Aufbau. Dadurch wisse man das Spektrometer, indem die eingehenden Signale interpretiert werden, besser geschützt. Mittlerweile hat sich aus den Messergebnissen des NIR-Spektrometers ein ansehnlicher Datenpool angesammelt, insbesondere zum Trockensubstanzgehalt bei der Grasmahd und anderen Erntegütern, darüber hinaus zu Rohprotein und Stärke bei Getreide und zum Ölgehalt beim Raps. Auf dieser Grundlage werde jetzt die mobile Analytik auf den Erntemaschinen Stück für Stück auf andere Inhaltsstoffe erweitert.

Datenpool ist der eigentliche Schatz

„Die Nahinfrarotspektroskopie basiert auf der Wechselwirkung von Infrarotlicht im Wellenlängenbereich von 760 bis 2500 nm mit organischen Verbindungen“, erläutert Ralf Vogt, Key Account Manager bei Zeiss Microscopy. Das Licht einer Halogenlampe regt die Moleküle zu Schwingungen an und wird in bestimmten Wellenlängen absorbiert. Dadurch entstehen im Spektrum der zurückgeworfenen unsichtbaren Wärmestrahlung dunkle Lücken, die so genannten Absorbtionsbanden. Entsprechend interpretiert verraten sie die Inhaltsstoffe. Wasser ist im Infrarotbereich eine Art Superabsorber und so lässt sich der Feuchtegrad in organischen Substanzen mit dem NIR-Sensor besonders gut nachweisen. „Gleichzeitig ist Wasser aber auch ein Problem beim Messen, weil es in feuchten Erntegütern wie Mais andere Inhaltsstoffe quasi überdeckt“, sagt Ralf Vogt.

Doch die Entwickler von NIR-Spektrometern stehen noch vor einer weiteren Herausforderung: Schwingungsüberlagerungen verwischen die Absorbtionsbanden. Es entstehen auf den ersten Blick wenig aussagekräftige „weiche“ Spektralkurven. Eine Auswertung ist daher erst im Vergleich mit Referenzspektren möglich. Diese NIR-Kalibrierungsmodelle erstellen Labore mit chemometrischen Methoden. Dazu werden beispielhafte NIR-Messkurven von Substanzen erstellt, deren Inhaltsstoffe durch Analysen mit anderen Methoden bereits bekannt sind. Da sich Klima und Anbaumethoden ändern oder auch neue Pflanzenzüchtungen auf den Markt kommen, müssen diese Referenz-Spektralkurven ständig angepasst und ergänzt werden. Vor allem in europäischen Laboren zum Beispiel beim Verband Deutscher Landwirtschaftlicher Untersuchungs- und Forschungsanstalten (VDLUFA) sowie in den Dairyland Laboratories (USA) entstand mittlerweile ein riesiger Pool solcher NIR-Referenzkurven. Sie sind nach Meinung von Experten der eigentliche Schatz bei der Nahinfrarotspektroskopie. Denn je mehr NIR-Kalibrierungsmodelle, also Referenzdaten, dem Rechner des Spektrometers zur Verfügung stehen, desto präziser sind die Messwerte und desto weiter ist das Spektrum der bestimmbaren Inhaltstoffe.

Erste offene Plattform für NIR-Messungen

Die Firma Zeiss in Jena ist seit drei Jahrzehnten auf dem Gebiet der Nahinfrarotspektroskopie aktiv. Die kostengünstige und schnelle Messmethode fand zunächst in Lebensmittel- und Umweltlaboren rasche Verbreitung. Ende der 90er Jahre montierten Ingenieure des Unternehmens erste NIR-Spektrometer auf Parzellenerntern. So entstand eine Zusammenarbeit mit John Deere. Ergebnis ist der HarvestLab, den der Landtechnikhersteller erstmals 2006 vorstellte. Das NIR-Kompaktgerät am Auswurfkrümmer des Feldhäckslers diente zunächst nur zur Kontrolle des Trockenmassegehalts für den Fahrer. Mittlerweile ist über das AutoLOC-System eine automatische Regelung der Schnittlänge entsprechend dem gemessenen TS-Gehalt möglich. Überdies analysiert der Sensor weitere Parameter wie Stärke, Rohproteine und Rohfaser. Außerhalb der Erntesaison kann der HarvestLab-Sensor vom Häcksler abmontiert und in Verbindung mit einem Computer als Silage-Analyselabor im Stall oder für eine Biogasanlage eingesetzt werden.

Auf der jüngsten Agritechnica präsentierte John Deere zudem ein modifiziertes System für die NIR-Messung von organischem Dünger. Das gemeinsam mit den Herstellern Fliegl und Kotte entwickelte Gerät ermittelt und dokumentiert direkt bei der Gülle-Ausbringung die Gehalte an Stickstoff, Phosphat, Kalium und Trockensubstanz. „Wir entwickeln auf diesem Gebiet schon seit einiger Zeit und sind froh, hier mit John Deere einen starken Partner zu haben. Bis NIR-Sensoren zur Serienausstattung am Güllefass gehören müssen allerdings noch einige Probleme gelöst werden. Es geht ja nicht nur ums Messen der Inhaltsstoffe, sondern auch um eine zuverlässige und robuste Steuerung der Gülleausbringung“, meint Franz Höpfinger aus der Fliegl-Entwicklungsabteilung. Der Elektronikexperte verweist in diesem Zusammenhang auf technische Herausforderungen bei der Hardware-Kalibrierung des Messsystems und bei der exakten Ansteuerung der Ventile.

Dr. Stefan Kotte sieht den Entwicklungsschwerpunkt in der Software, also in der Feinabstimmung der gemessenen Werte mit den Referenzspektren. „Mit Abweichungen von 10 bis 15 % gegenüber Untersuchungen von Proben im Labor erhält der Landwirt aber schon ein recht genaues Bild von der Zusammensetzung der Gülle, vor allem wenn man bedenkt, dass die Messung permanent erfolgt“, sagt der Geschäftsführer von Kotte Landtechnik. Ab dieser Saison würden zwei Lohn-unternehmer Güllefahrzeuge mit NIR-Sensor und entsprechender Regelung einsetzen. Dr. Kotte: „Diese Praxistests bringen sicher eine Reihe neuer Erkenntnisse.“

Zeiss selbst entwickelte mit den Outdoor-Erfahrungen auf dem Acker die offene Geräteplattform „Corona extreme“, die ebenfalls erstmals auf der Agritechnica 2013 zu sehen war. Das robuste System ermöglicht Anwendern die schnelle Messung von Feuchte und Proteingehalt in Weizen, Gerste, Körnermais und Reis sowie in frischen Futtermitteln wie Mais, Silage, Gras und Luzerne. Zusammen mit der intuitiv zu bedienenden Software „InProcess“ kostet es etwa 20.000 Euro.

Bei den Häckslern von Krone regelt AutoScan seit einigen Jahren die automatische Anpassung der Häcksellänge an den Reifegrad der Maispflanze. Kein NIR-Spektrometer, sondern eine photooptische Zelle in der Mitte des Maisvorsatzes regelt, dass grüner Mais relativ lang, sehr reifer brauner hingegen kürzer gehäckselt wird.

Analyse mit dem NIR-Sensor im Koffer

Zusätzlich können die Feuchte des Erntegutes jedoch auch mit einem NIR-Sensor im Auswurfbogen des BiG X gemessen und die Daten der geernteten Fläche zugeordnet werden.

„Für die genaue Bestimmung von Inhaltsstoffen im Erntegut oder in Futtermischungen bieten wir jetzt das mobile Analysegerät AgriNIR an“, informiert Jan Horstmann, verantwortlich für die Elektronik-Entwicklung bei Krone. Das NIR-Spektrometer ist in einem stabilen Rollkoffer untergebracht. Die Stromversorgung erfolgt über den Zigarettenanzünder im Auto oder ein Netzteil. Nach dem Einschieben der mit der Probe befüllten kleinen Kunststoffbox können die Messwerte u. a. zu Trockensubstanz, Stärke und Rohprotein nach etwa einer Minute am Display im Kofferdeckel abgelesen, ausgedruckt und auf einem Stick abgespeichert werden.

Fotoshooting im Kornelevator

Auch Claas-Häcksler verfügen zumindest auf dem deutschen Markt über NIR-Sensorik zur Messung der Erntegut-Inhaltsstoffe. Das gemeinsam mit m-u-t Agri Solutions und der Universität Kiel entwickelte System besteht, ähnlich wie das Gerät von Polytec, aus zwei getrennten Komponenten. Der Sensorkopf auf dem Auswurfkrümmer ist über ein Glasfaserkabel mit dem NIR-Spektrometer in der Fahrerkabine verbunden. Darüber hinaus setzt Claas bei der Online-Qualitätskontrolle des Erntegutes auf Kameratechnik und nutzt dabei die Erfahrungen mit AutoFill, ein System das mittels 3D-Bildanalyse bei der Ernte die Befüllung des nebenherfahrenden Abfuhrwagens automatisch optimiert.

Die neue auf der Agritechnica präsentierte Grain Quality Camera sitzt auf dem Körnerelevatorkopf des Mähdreschers und „knipst“ dort hochaufgelöste Farbbilder vom Erntegut. Eine Bildauswertungssoftware berechnet daraus die Menge der Nicht-Korn-Bestandteile wie Stroh, Spreu und Ährenspitzen sowie den Bruchkornanteil. Diese Werte werden im CEBIS Display als Balkendiagramme oder als Echtbild mit farblich markierten Bereichen geringer Kornqualität dargestellt. „Bis jetzt ist das ja nur eine Kontrollmöglichkeit für den Fahrer, der zum Beispiel durch Blinken gewarnt wird, wenn die Werte beim Bruchkorn überschritten werden. Für die Zukunft könnte ich mir vorstellen, dass die Grain Quality Camera entsprechende Einstellungen am Dreschwerk automatisch regelt“, wirft Bernd Seelmeyer von der Claas-Entwicklungsabteilung einen Blick in die Zukunft.

Der Nährstoff-Tester sitzt im Tank

Der Hersteller Zunhammer nutzt bereits seit einigen Jahren das bei Claas eingesetzte NIR-Sensoriksystem zur Bestimmung des Nährstoffgehalts der Gülle im Tankwagen. Das System VAN-Controll misst mit einem NIR-Sensorkopf und angeschlossenem NIR-Spektrometer beim Befüllen die in der Gülle enthaltenen Mengen an Stickstoff, Kali und Phosphat sowie den Trockenmasseanteil. Zusätzlich ist es möglich, auf dem Feld die Ausbringmenge nach den Ergebnissen der Bodenproben und der ermittelten Nährstoffgehalte automatisch zu steuern und zu dokumentieren. „Damit besteht keine Gefahr der Überdüngung“, sagt Geschäftsführer Sebastian Zunhammer mit Blick auf die kommenden Anforderungen der Gülleverordnung gemäß EU-Nitratrichtlinie. Möglich machen das firmeneigene Kalibriermodelle. So kann das Spektrometer bei der Inhaltsanalyse für VAN-Controll auf Referenzsprektren für Schweine- und Rindergülle, Güllegemische und Gärreste zurückgreifen.

NIR-Spektroskopie hat noch Potenzial

Alle NIR-Sensor-Systeme verfügen über eine automatische Kalibrierung, um zum Beispiel einer Verfälschung der Ergebnisse durch nachlassende Lichtleistung der Sensorlampe entgegen zu wirken. Beim NIR-Sensor von Krone fährt zum Beispiel aller 50 Betriebsstunden automatisch ein Metallplättchen mit definiertem Reflexionswert vor das Sensorlicht.

Nicht zu verwechseln ist diese Gerätekalibrierung mit den Kalibrierungsmodellen für den Vergleich von aktuell gemessenen Spektralkurven mit abgespeicherten Referenzkurven. In dem aufwendig erstellten Pool an Referenzspektren, von dem die Entwicklung der NIR-Spektroskopie so stark abhängt, sehen Fachleute zugleich den wichtigsten Garant für die Zukunft dieses indirekten optischen Messverfahrens. Das scheint nur auf den ersten Blick paradox. Denn mit jedem neuen Kalibrierungsmodell, das die Labore zur Verfügung stellen, erweitern sich die Messmöglichkeiten der Nahinfrarotspektroskopie. Das zeigt sich nicht zuletzt am neuen Einsatzgebiet zur Gülleanalyse. Hier ist also durchaus noch einiges zu erwarten.

Auf rund 250 ha baut die Agrargenossenschaft Hohenroda eG Mais an – Futter für die 600 Kühe und für die Biogasanlage des nördlich von Leipzig gelegenen Betriebes. Hat der beauftragte Lohnunternehmer die Erntearbeit mit dem John Deere Feldhäcksler erledigt, liefert er neuerdings beim Agrarbetrieb nicht nur die Rechnung sondern als Service auch Schlagkarten mit farbigen Markierungen ab. Die roten, grünen, gelben und orangen Punkte entlang der Fahrstrecke des Häckslers zeigen, welche Erntemenge an der jeweiligen Stelle des Schlages erzielt wurde, aber auch wie feucht der Mais war, welchen Gehalt an Stärke, Rohprotein sowie an neutraler und saurer Rohfaser das Häckselgut hatte. Möglich macht das der Sensor HarvestLab im Auswurfkanal der Erntemaschine. „Da werden doch große Unterschiede zwischen den verschiedenen Ackerflächen aber ebenso innerhalb eines Feldes deutlich“, sagt der Vorstandsvorsitzende des Landwirtschaftsbetriebs Jörg Reihe. Dabei zeigt er auf die Karte eines gut fünf ha großen Schlages. Die verschiedenfarbigen Punkte belegen eine breite Spreizung des Rohproteingehaltes. Ähnlich bunt sind die Karten mit den anderen Parametern.

Die Qualitätskontrolle der Ernte direkt auf dem Feld gehört zu den jüngsten Kapiteln moderner Landwirtschaft. Gegenwärtig vollzieht sich hier ein Innovationsschub – von der einfachen Online-Feuchteanzeige des Erntegutes mit Kapazitäts- oder Widerstandsmessungen zur exakten Bestimmung der Trockensubstanz und darüber hinaus wichtiger Inhaltsstoffe. Das Zauberwort dabei heißt Nahinfrarotspektroskopie, kurz NIRS oder auch nur NIR.


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