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LMS 20-NIR Sensor

DLG-ANERKANNT "Inhaltsstoffe in Rindergülle, in Schweine- gülle, in Mischgülle aus Rinder- und Schweinegülle und in flüssigem Gärrest"

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Das Prüfzeichen

Ein Prüfzeichen „DLG-ANERKANNT in Einzelkriterien“ wird für landtechnische Produkte verliehen, die eine umfangsreduzierte Gebrauchswertprüfung der DLG nach unabhängigen und anerkannten Bewertungskriterien erfolgreich absolviert haben. Die Prüfung dient zur Herausstellung besonderer Innovationen und Schlüsselkriterien des Prüfgegenstands. Der Test kann Kriterien aus dem DLG-Prüfrahmen für Gesamtprüfungen enthalten oder sich auf andere wertbestimmende Merkmale und Eigenschaften des Prüfgegenstandes fokussieren. Die Mindestanforderungen, die Prüf­bedingungen und -verfahren sowie die Bewertungsgrundlagen der Prüfungsergebnisse werden in Abstimmung mit einer DLG-Expertengruppe festgelegt. Sie entsprechen den anerkannten Regeln der Technik sowie den wissenschaft­lichen und landwirtschaftlichen Erkenntnissen und Erfordernissen. Die erfolgreiche Prüfung schließt mit der Veröffent­lichung eines Prüfberichtes sowie der Vergabe des Prüfzeichens ab, das fünf Jahre ab dem Vergabe­datum gültig ist.

Die DLG-Prüfung zur „Präzision von NIR Sensoren zur Bestimmung von Inhaltsstoffen in vorbei­strömendem Wirtschaftsdünger tierischer Herkunft und flüssigen Gärresten aus Rinder- oder Schweine­güllen mit nachwachsenden Rohstoffen“ wurde am „Assy LMS 20-NIR Sensor“ mit dem Kalibrationsmodell V14.3.1 von Topcon Agriculture durchgeführt. Die Messungen zur Inhaltsstoffbestimmung in flüssigen Wirtschaftsdüngern fanden in Rinder- und Schweinegülle, Mischgülle aus Rinder- und Schweinegülle sowie in flüssigem Gärrest aus Rinder- oder Schweinegüllen mit nachwachsenden Rohstoffen statt. In jeder Gülleart wurden auf landwirtschaftlichen Betrieben fünf verschiedene Praxisgüllen mit dem geprüften Sensor auf ihre Gehalte an Trockenmasse (TM in Gew. %), Gesamtstickstoff (NGesamt in kg/m3), Ammoniumstickstoff (NH4-N in kg/m3), Phosphorpentoxid (P2O5 in kg/m3) und Kaliumoxid (K2O in kg/m3) untersucht und beprobt. Die genommenen Proben wurden von insgesamt fünf verschiedenen, akkreditierten Fachlaboren mit amtlich anerkannten, vorzugsweise nasschemischen Verfahren analysiert. Für jeden Inhaltsstoff und jede Wirtschaftsdüngerart wurden die Mittelwerte aus den Ergebnissen der Laboranalysen berechnet. Zur Bewertung wurden die Differenzen zwischen dem vom NIR-Sensor ermittelten Wert und dem Mittelwert der Labore als relative Messabweichung ermittelt. Die Präzision des Sensors wurde zudem bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten überprüft. Andere Kriterien wurden nicht geprüft.

Beurteilung – kurz gefasst

Aufgrund der erzielten Ergeb-nisse wird dem „Assy LMS 20-NIR Sensor” von Topcon Agri­culture mit dem Kalibrations­modell V14.3.1 das DLG-Prüfzeichen „DLG-ANERKANNT in Einzel­kriterien“ bei der Messung von Inhalts­stoffen in flüssigen Wirtschaftsdüngern für die in Tabelle 1 auf­geführten Parameter verliehen.

Tabelle 1: Anerkannte Parameter – Ergebnisse im Überblick

DLG-Qualitätsprofil 
InhaltsstoffBewertung*
Rindergülle 
Trockenmasse (TM)
Gesamtstickstoff (NGesamt)
Ammoniumstickstoff (NH4-N)
Phosphorpentoxid (P2O2)
Kaliumoxid (K2O)
Schweinegülle 
Trockenmasse (TM)
Gesamtstickstoff (NGesamt)
Ammoniumstickstoff (NH4-N)
Phosphorpentoxid (P2O2)
Mischgülle aus Rinder- und Schweinegülle 
Trockenmasse (TM)
Gesamtstickstoff (NGesamt)
Phosphorpentoxid (P2O2)
Kaliumoxid (K2O)
Flüssiger Gärrest aus Rinder- oder Schweinegüllen mit nachwachsenden Rohstoffen 
Trockenmasse (TM)
Gesamtstickstoff (NGesamt)
Ammoniumstickstoff (NH4-N)
Phosphorpentoxid (P2O2)

*    Bewertungsbereich: Anforderung erfüllt (✔ ) Anforderung nicht erfüllt (X)

Das Produkt

Beschreibung und Technische Daten

Das „Assy LMS 20-NIR Sensor“ ist ein für die Inhaltsstoffanalyse von organischen Substanzen, wie z.B. tierischem Wirtschaftsdünger und Gär­sub­s­traten entwickeltes Nah-Infrarot-Messsystem. Der Sensor wird dafür in das vorhandene Rohrsystem der Pumpstation oder des Gülle­tank­wagens inte­griert. Um eine feh­lerfreie Funktio­nalität des Sensors zu gewährleisten, sind bei der Installa­tion die vom Hersteller vorgegebenen Einbaulagen zu beachten.

Verfahren der Nah-Infrarot Messung

Die Funktion eines NIR-Sensorsystems ist in Bild 2 dargestellt. Das vorbeiströmende Gut ist vom eigentlichen Sensor durch ein NIR-durchlässiges Saphirglas getrennt. Das Gut wird mit einer NIR-Lichtquelle mit Nahinfrarotlicht mit bekanntem Spektrum bestrahlt und das reflektierte bzw. re-emittierte Lichtspektrum des Guts detektiert. Zur Kompen­sation von temperaturabhängigen Verschiebungen des Spektrums führt das System regelmäßig Weiß- und Dunkelreferenzierungen durch.

Über eine Auswerteeinheit werden die Messdaten aufbereitet und im Microcomputer mithilfe entsprechender, für die zu bestimmenden Kenn­größen hinterlegten Kalibriermodellen in Messwerte mit Einheitenangaben umgerechnet. Der Mess­vorgang erfolgt kontinuierlich an dem vorbeiströmenden Wirtschaftsdünger. Im Messmodus werden sekündlich Messwerte ausgegeben. Je nach Bedarf können Mittelwerte für anwenderbestimmte Zeit­intervalle oder Live-Werte in Echtzeit angezeigt werden.

Der Hersteller gibt für das im System verwendete Kalibrationsmodell die in Tabelle 2 dargestellten Messbereiche an.

Tabelle 2: Messbereich „Assy LMS 20-NIR Sensor“ mit dem Kalibrationsmodell V14.3.1

  Wertebereich
TM [%] 0,5 – 11,00
NGesamt [kg/m³] 0,5 – 9,00
NH4-N [kg/m³] 0,0 – 4,00
P2O5 [kg/m³] 0,0 – 6,00
K2O [kg/m³] 0,5 – 7,00

Die Methode

Die DLG-Prüfung „Präzision von NIR Sensoren zur Bestimmung von Inhaltsstoffen in vorbeiströmendem Wirtschaftsdünger tierischer Herkunft und flüssigen Gärresten“ hat das Ziel, die Genauigkeiten von mobilen Sensoren in Verbindung mit entsprechenden Kalibrationsmodellen bei der Bestimmung von Inhaltsstoffen in vorbeiströmenden, flüssigen Wirtschaftsdüngern im Vergleich zur Laboranalyse mit amtlich anerkannten Methoden festzustellen. Ein wesentlicher Vorteil der NIR-Messtechnik gegenüber den herkömmlichen Verfahren zur Bestimmung der Inhaltsstoffe in flüssigen Wirtschaftsdüngern über Probenahme und Laboranalyse besteht in den sofort verfügbaren Messwerten und in der permanenten Messung der Inhaltsstoffe über das komplette geförderte Düngervolumen.

Der Anwendungsbereich beschränkt sich in der DLG-Prüfung auf Substrate, die nach dem Düngegesetz (DünG) als Wirtschaftsdünger beschrieben sind, also auf Rindergülle, Schweinegülle und flüssige Gärreste.
Die DLG-Prüfung wird für die Messung der nachfolgenden Inhaltsstoffe angeboten:

  • Trockenmassegehalt (TM in % Gew.)
  • Gesamtstickstoffgehalt (NGesamt in kg/m3)
  • Ammoniumstickstoffgehalt (NH4-N in kg/m3)
  • Phosphatgehalt (Phosphorpentoxid; P2O5 in kg/m3)
  • Kaliumgehalt (Kaliumoxid; K2O in kg/m3)

Um einen möglichst weiten Einsatzbereich abzudecken, wird in der Prüfung angestrebt, bei jeder Substratart ein möglichst vielfältiges Spektrum zu verwenden:

  • Rindergülle: 4 % TM – 9 % TM, nach Möglichkeit Milchvieh + Bullenmast
  • Schweinegülle: 2 % TM – 7 % TM, nach Möglichkeit Sauenhaltung + Mastschweine
  • Mischgülle aus Rinder- (R) und Schweinegülle (S):
    Konzentrationsreihe aus 10 % R : 90 % S – 30 % R : 70 % S – 50 % R : 50 % S – 70 % R : 30 % S – 90 % R : 10 % S
  • Flüssiger Gärrest aus Rinder- oder Schweinegüllen mit nachwachsenden Rohstoffen: 5 % TM – 8 % TM

Die DLG-Anerkennung kann für einzelne Güllearten und einzelne Inhaltsstoffe vergeben werden. Um eine DLG-Anerkennung zu erfahren, müssen mindestens die Anforderungen an die Messung des Gesamt­stick­stoff­gehalts (NGesamt) erfüllt werden. Wenn die Anforderungen an die Messung des Gesamtstickstoffgehalts erfüllt sind, können andere Inhaltsstoffe frei hinzu gewählt werden.

Das Verfahren

Je Wirtschaftsdüngerart (Rindergülle, Schweinegülle, flüssiger Gärrest) werden fünf einzelne, möglichst unterschiedliche Proben auf verschiedenen landwirtschaftlichen Betrieben gemessen und beprobt. Hierfür wird aus dem zuvor aufgerührten Güllelager eine Teilmenge von 3 m3 bis 5 m3 in einen Zwischentank gepumpt.

Am Zwischentank sind eine Pumpe und ein praxisübliches Rohrleitungssystem verbaut. An der Rohrleitung sind ein oder mehrere zu prüfende Sensoren und ein Durchflussmengenmesser zur Kontrolle der Fließgeschwindigkeiten sowie ein Bypass zur Probenentnahme angebracht (siehe Bild 3).

Für die Prüfung und die repräsentative Probennahme wird in einer Vorlaufphase der aufgenommene  Wirtschaftsdünger durch stetiges Umpumpen im geschlossenen Kreislauf intensiv homogenisiert. Nach dieser Vorlaufphase werden die Messwerte des Sensors dokumentiert. Bei Aufrechterhaltung des Umpumpens im geschlossenen Kreislauf werden dann Teilproben für die Referenzanalysen über den Bypass entnommen. Um einen möglichen Einfluss auf die Sensorwerte zu ermitteln, wird anschließend die Fließgeschwindigkeit variiert und die Messwerte erneut dokumentiert.

Die genommenen Gülleproben werden eindeutig gekennzeichnet, eingefroren und gefroren zwischengelagert. Mit der Referenzanalyse werden fünf geeignete Labore beauftragt. Jedes Labor erhält dafür von jeder Gülle mindestens drei Teilproben. Die Analysen im Labor müssen mit amtlich anerkannten, vorzugsweise nasschemischen Methoden durchgeführt werden.

Aus den Laborergebnissen wird für jede Wirtschaftsdüngerart und jeden Inhaltsstoff das arithmetische Mittel als Referenzwert berechnet. Die Bewertung zur Genauigkeit basiert auf den relativen Abweichungen vom Sensorwert im Vergleich zum Referenzwert.

Die Testergebnisse im Detail

Die Versuche wurden gemeinsam mit der Landwirtschaftlichen Lehranstalt Triesdorf durchgeführt. Bei den Messungen wurden Durchflussmengen von 6 m3/min bis 9 m3/min eingestellt. Die unterschiedlichen Durchflussmengen zeigten keinen Einfluss auf die Messwerte des Sensors. Tabelle 3 zeigt die Einzelergebnisse.
Aufgrund der erzielten Ergebnisse wird dem mobilen “Assy LMS 20-NIR Sensor” von Topcon Agriculture

mit dem Kalibrationsmodell V14.3.1 das Prüfzeichen „DLG-ANERKANNT in Einzelkriterien“ verliehen für die Messungen von:

  • Inhaltsstoffe in Rindergülle: TM, NGesamt, NH4-N, K2O
  • Inhaltsstoffe in Schweinegülle: TM, NGesamt, NH4-N, P2O5
  • Inhaltsstoffe in Mischgülle aus Rinder- und Schweinegülle: TM, NGesamt, P2O5, K2O
  • Inhaltsstoffe in flüssigem Gärrest aus Rinder- oder Schweinegüllen mit nachwachsenden Rohstoffen: TM, NGesamt, NH4-N, P2O5

Tabelle 3: Einzelergebnisse

TypenbezeichnungAssy LMS 20-NIR Sensor mit Kalibrationsmodell V14.3.1Bewertung *
Einbaulage (Neigung)  
 90° 
Einbauposition  
 waagrechte 6“ Rohrleitung (siehe Herstellerangaben) 
Rindergülle  
 TM in % Gew.+
 NGesamt in kg/m3o
 NH4-N in kg/m3o
 P2O5 in kg/m3o
 K2O in kg/m3+ +
Schweinegülle  
 TM in % Gew.+ +
 NGesamt in kg/m3o
 NH4-N in kg/m3o
 P2O5 in kg/m3o
 K2O in kg/m3
Mischgülle aus Rinder- und Schweinegülle  
 TM in % Gew.o
 NGesamt in kg/m3+ +
 NH4-N in kg/m3
 P2O5 in kg/m3o
 K2O in kg/m3+
Flüssiger Gärrest aus Rinder- oder Schweinegülle mit nachwachsenden Rohstoffen  
 TM in % Gew.o
 NGesamt in kg/m3+
 NH4-N in kg/m3+
 P2O5 in kg/m3o
 K2O in kg/m3
BEWERTUNGSSCHEMATA:  
+ + bestanden, sehr gut (4/5 Wertepaare innerhalb einer Gülleart ≤ 10 % und keine > 20 % rel. Abweichung)
+ bestanden, gut (4/5 Wertepaare innerhalb einer Gülleart ≤ 15 % und keine > 25 % rel. Abweichung)
bestanden (3/5 Wertepaare innerhalb einer Gülleart ≤ 25 % und keine > 35 % rel. Abweichung)
nicht bestanden

Fazit

Das System aus “Assy LMS 20-NIR Sensor” mit dem Kalibrationsmodell V14.3.1 von Topcon Agri­culture konnte im DLG-Test zeigen, dass es bei der Messung von Trockenmasse (TM), Ge­samt­stickstoff (NGesamt), und Phosphat (P2O5) in den geprüften Güllearten Rindergülle, Schweinegülle und Misch­gülle aus Rinder- und Schweinegülle sowie flüssigem Gärrest aus Rinder- oder Schweinegülle mit nachwach­senden Rohstoffen den Anfor­de­rungen an die Messgenauigkeiten für eine DLG Anerkennung genügt. Darüber hinaus erfüllt das System die DLG Anforderungen für Ammoniumstickstoff (NH4-N) in Rinder- und Schweinegülle sowie flüssigem Gärrest und für Kaliumoxid (K2O) in Rinder­gülle sowie Misch­gülle aus Rinder- und Schweinegülle. Ein wesentlicher Vorteil der NIR-Messtechnik gegenüber den herkömmlichen Verfahren zur Be­stimmung der Inhaltsstoffe in flüssigen Wirtschaftsdüngern über Probenahme und Labor­analyse besteht in den sofort verfügbaren Messwerten und in der permanenten Messung der Inhaltsstoffe über das komplette geförderte Düngervolumen.

Anmelder und Prüfungsdurchführung

Hersteller und Anmelder

Topcon Precision Agriculture Europe S.L.
Avenida de la Industria 35
28760 Tress Cantos, Madrid, Spanien
Kontakt: www.topconpositioning.com/de

Prüfungsdurchführung

DLG TestService GmbH, Standort Groß-Umstadt

Landwirtschaftliche Lehranstalten Triesdorf – Pflanzenbau und Versuchswesen, 91746 Weidenbach

Die Prüfungen werden im Auftrag des DLG e.V. durchgeführt.

DLG-Prüfrahmen
DLG-Anerkannt in Einzelkriterien
„Mobile Sensoren zur Bestimmung von Inhaltsstoffen in vorbei­strömen­der Gülle“ (Stand 09/2020)

Fachgebiet
Technik in der Landwirtschaft

Mitglieder der zuständigen  DLG-Prüfungskommission „Düngetechnik“
Dr. Horst Cielejewski, Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen, Bad Sassendorf
Dr. Harm Drücker, Landwirtschaftskammer Niedersachsen, Oldenburg
Prof. Dr. Nils Fölster, Fakultät Ingenieurwissen­schaften und Informatik, Osnabrück
Prof. Dr. Hans-W. Griepentrog, Institut für Agrar­technik, Stuttgart-Hohenheim
Dr. Fabian Lichti, Landesanstalt für Landwirtschaft Bayern, Freising
Frank Reith, Mittelforsthof, Groß-Umstadt
Prof. Dr. Bernd Scheufler, Fakultät Agrarwissen­schaften und Landschaftsarchitektur, Osnabrück
Sven Schneider, Lohnunternehmung, Brensbach
Peter Seeger, Hof Seeger, Otzberg

Projektleiter
Dr. Ulrich Rubenschuh*

Prüfingenieur(e)
Dipl.-Ing agr. Georg Horst Schuchmann 

Kontakt

DLG Testzentrum Technik und Betriebsmittel • DLG TestService GmbH Standort Groß-Umstadt • Max-Eyth-Weg 1 • 64823 Groß-Umstadt • Tel: +49(0)69/24 788-600 Fax: +49(0)69/24 788-690 • tech@DLG.org