Radiometrische Onlinedichtemessung
Kurzfassung
Das AiF-Projekt hatte die Entwicklung einer online-Dichtemesseinrichtung für Siliergut zum Ziel. Im Technikumsmaßstab wurden zunächst grundlegende Zusammenhänge zur radiometrischen Messung mittels Gamma-Strahlen im Rückstreuverfahren ermittelt. Es galt herauszufinden, bei welcher geometrischen Anordnung von Quelle und Detektor gegenüber dem Siliergut ein straffer Zusammenhang zwischen der Anzahl an rückgestreuten Gamma-Photonen und der Siliergutdichte vorherrscht.
In einem neuentwickelten Pressversuchsstand wurden anschließende Testmessungen bei unterschiedlich stark verdichtetem Siliergut durchgeführt. Es zeigte sich, dass im Rückstreuverfahren mit ausreichender Sicherheit unterschiedliche Siliergutdichten gemessen werden können.
Für den Einsatz in der Praxis wurde ein Messrad zur Aufnahme von Quelle und Detektor konzipiert und gebaut. Das Messrad wird über einen Anbaurahmen mit der Dreipunkt-Aufnahme des Verdichtungsschleppers verbunden. Die Konstruktion ist straßentauglich.
Bei Messfahrten in Fahrsilos mit Anwelkgras und Maishäcksel konnten online Siliergutdichten gemessen werden. Bei mehreren Überfahrten in einer Fahrspur zeigte sich eine degressive Zunahme der Siliergutdichte. Die Siliergutdichte beim Rückwärtsfahren war infolge der Rückdehnung des Siliergutes um etwa 8 % geringer als beim Vorwärtsfahren. Ob eine geforderte Siliergutdichte erreicht ist, muss in erster Line anhand der Rückwärtsfahrten eingeschätzt werden.
In Verbindung mit Daten von einem Differential Global Positioning System (DGPS) wurde eine Zuordnung der Dichtewerte zu bestimmten Positionen im Silo erreicht. Somit sind die Voraussetzungen für eine Dichtekartierung der Silooberfläche gegeben.
Im Rahmen einer Verfahrensbewertung wurde ermittelt, dass sich die Dichtemesseinrichtung je nach dem kalkulatorischen Anschaffungswert bei etwa 135 Milchkühen rentiert.
Aufgabenstellung
Hochwertiges Grundfutter ist eine wichtige Voraussetzung für eine hohe Leistung der Wiederkäuer und für den Erhalt der Tiergesundheit. In den letzten Jahrzehnten hat vor allem die Silage an Bedeutung gewonnen, weil damit die Möglichkeit besteht, das Futter mit geringen Kosten und geringem Witterungsrisiko zu ernten und zu konservieren. Das Grundfutter wird mit Feldhäckslern, Ladewagen und Transportfahrzeugen geerntet und geborgen. Bei dieser Technik ist ein Trend zu höheren Masseströmen und Transportleistungen zu erkennen. Bereits 40 % der Häcksler in Deutschland haben eine Nennleistung über 370 kW (Kutschenreiter, 2008). Häcksler mit bis zu 735 kW Motorleistung erreichen 70 t/h bei Anwelksilage und über 300 t/h bei Maissilage (Fürll et al. 2007).
Das Siliergut wird häufig in Fahrsilos eingelagert und konserviert. Beim Einlagern ist auf eine ausreichende Verdichtung des Siliergutes zu achten. Die Verdichtung ist entscheidend für
- eine verlustarme Konservierung,
- geringe Entnahmeverluste,
- den Erhalt der Futterqualität und
- die Lebensmittelsicherheit.
Das Verdichten soll mit möglichst schweren Walzfahrzeugen wie großen Traktoren oder Radladern erfolgen. Obwohl das bekannt ist, bildet das Verdichten häufig einen Engpass in der Verfahrenskette (Schemel, 2009). Das gilt insbesondere dann, wenn kleine landwirtschaftliche Unternehmen die Silierguternte und den Transport durch Lohnunternehmer mit großen Erntemaschinen und Transportfahrzeugen erledigen lassen (Wyss, 2009).
Zur Kontrolle der erreichten Siliergutdichte sind verschiedene Methoden entwickelt worden. In der Praxis hat es sich bewährt, mit Spezialbohrern Bohrproben (Muck and Holms 2000; Kleinmans et al. 2005, Latsch und Sauter 2011) aus dem Silo zu entnehmen oder mit einem Siloblockschneider Silageblöcke herauszuschneiden (u.a. Wagner et al. 2004, Latsch and Sauter 2011). Die Silagedichte ergibt sich aus dem entnommenen Volumen und der zugehörigen Masse. Nachteilig bei den beiden Methoden ist, dass sie erst nach der Lagerperiode bei der Entnahme des Gutes zum Einsatz kommen. Es fehlt somit eine Größe, um den Verdichtungsvorgang beim Einlagern steuern zu können.
Das Forschungsvorhaben hat das Ziel, eine geeignete Online- Dichtemesseinrichtung mit einem geeigneten Dichtesensor und einem entsprechenden Messverfahren zur Dichtemessung an landwirtschaftlichen Gütern, insbesondere Siliergütern zu entwickeln.
Dem Forschungsvorhaben ging ein Vorprojekt voraus, indem Prinziplösungen für die Dichtemessung untersucht wurden (Schemel und Möller 2007, Fürll et al. 2008). Von den untersuchten Varianten Penetrometer, Einsinktiefe des Traktors oder eines Messrades, Folien-Druck/Kraftmesssystem, Ultraschalldickenmessung, Georadar, Mikrowellenstreufeldsonde, und radiometrische Sonde erwiesen sich die beiden letztgenannten Varianten, also Mikrowellenstreufeldsonde und radiometrische Sonde, als aussichtsreich. Nachfolgende Messungen mit einer Mikrowellenstreufeldsonde zeigten aber nicht den gewünschten Zusammenhang zur Gutdichte. Im Ergebnis der Vorversuche wurde damit die radiometrische Dichtemessung mit sogenannten γ-Streusonden zur Vorzugslösung.
Projektziel
Für viele Bereiche der industriellen Prozessmesstechnik und der Sicherheitsüberwachung ist die zuverlässige Messung oder Einstellung der Spurenfeuchte in Gasen im Konzentrationsbereich (- 20 bis – 80) °C Frostpunkt (Fp) bzw. (1000 bis 0,5) ppmV mit hoher Genauigkeit von entscheidender Bedeutung. Insbesondere nehmen die Applikationen und Anforderungen bei der Messung des Wasserdampfgehaltes im Spurenfeuchtebereich unter 10 ppmV in den letzten Jahren deutlich zu. Ursache ist die signifikante Zunahme an Industrieprozessen bei denen zu hohe Wasserdampfkonzentrationen selbst schon im Spurenfeuchtebereich erhebliche Schäden verursachen, da der Wasserdampf in Gasen mit einer großen Anzahl von Werkstoffen wechselwirkt und deren Eigenschaften bzw. Funktionsfähigkeit wesentlich beeinflusst. Das erfordert vor allem in der Halbleiterindustrie aber auch bei der Herstellung von Lithium-Batterien und bei der Verarbeitung von korrosiven und giftigen Gasen wie Chlor eine strikte Kontrolle der Gasfeuchte im Spurenbereich. Mit der rasanten Zunahme derartiger industrieller Prozesse, steigen demgemäß auch die Einsatzrisiken beim Einsatz von Gasen mit geringer Restfeuchte. Für diese geringen Feuchten ist es erforderlich, hochsensitive und hochselektive Sensoren und Messsysteme einzusetzen, mit denen Wasserdampf unabhängig von den Umgebungsbedingungen bis in den Konzentrationsbereich unterhalb von 1 ppmV bestimmt werden kann. Andererseits ergibt sich aus dieser Notwendigkeit auch die Verfügbarkeit von Instrumenten mit denen Gase mit definierter Restfeuchte im Bereich zwischen < – 80°C bis – 20 °C Frostpunkt im industriellen Umfeld schnell und unkompliziert mit hoher Genauigkeit bereitgestellt werden können, um diese Messinstrumente kalibrieren und Prozesse einfahren zu können.
