Die landwirtschaftliche Produktion hat sich in den letzten Jahren in vielerlei Hinsicht gewandelt. So spielt der Einsatz von Elektronik und Sensoren in der heutigen Landwirtschaft auf den unterschiedlichsten Ebenen eine immer bedeutendere Rolle. Vom Traktor und Maschinen zur Bestellung des Feldes über Bodensensoren zur Messung der Wasserverfügbarkeit, der Stallüberwachung bis hin zur Aktivitätsmessung des einzelnen Tieres sind heutzutage einer Vielzahl von Sensoren eingesetzt, die den aktuellen Zustand, die jeweiligen Einstellungen oder den Verbrauch von Betriebsmitteln erfassen.
Anbei ist eine Übersicht über die wichtigsten in der Landwirtschaft eingesetzten Sensoren. In der Praxis ist es aber zunehmend eine Kombination aus verschiedenen Sensoren.
Der Crop Sensor misst wie alle optischen Sensoren das von der Pflanze reflektierte Licht im roten und infraroten Spektralbereich und errechnet daraus den Zustand der Kultur.
Sensor Technologie
Multi-/Hyperspektralbereich: Messung der Lichtreflexion in verschiedene Spektren im Wesentlichen der Vegetation
Nah-Infrarot Bereich (NIR): Messung der Lichtreflexion von organischer Substanz oder Luft
IR Bereich: Pflanzenwachstum: Messung der Lichtreflexion zur Bestimmung von Chlorophyll; Wärmebild: Ein bildgebendes Verfahren zur Anzeige der Oberflächentemperatur von Objekten. Dabei wird die Intensität der Infrarotstrahlung, die von einem Punkt ausgeht, als Mass für dessen Temperatur gedeutet. Sie wandeln Wärmeenergie, die von einem Objekt in einem Wellenlängenbereich von 0,7 bis 20 µm (mittleres IR) gesendet wird, in ein elektrisches Signal um, das dass anzuzeigende Signal in Temperatureinheiten umwandelt. Luftqualität: CO2-Gehalte der Luft von Räumen und Ställen oder auch ein typisches Anwendungsgebiet ist die Analyse der Abgase von Verbrennungsmotoren
RGB: Aufnahme von Echtfarben
Anwendungen
Multi-/Hyperspektral: Satelliten-, Drohnen-, Luftbilder zur Berechnung von NDVI Werten, Pflanzenstress, Krankheiten, Abreife
NIR: Messung der Nährstoffgehalt in Gülle Dosierung der Ausbringmenge, Messung Nährstoff und Trockensubstanz von Erntegut (auf Feldhäcksler) und Futtermittel
IR: (N-Sensor) z.B. Bestimmung der Nachsaat, IR-Wärmebild zum Aufspüren von Rehkitzen im hohen Gras
RGB: Keim, Wildschäden, Abreife, Tierbeobachtung Abkalbestall
Ultraschallsensoren überwachen in der Landwirtschaft die Höhen am Ausleger von Feldspritzen.
Sensor Technologie
Ultraschall: Erfassung der Änderung von Schallwellen
Das Wirkprinzip: Ein keramisches Piezoelement wird im Bereich seiner Resonanzfrequenz erregt und sendet einen akustischen Impuls aus. Danach wechselt der Wandler blitzschnell in den Empfangsmodus und nimmt das Echo des ausgesendeten Signals auf. Aus der Laufzeit des Signals lässt sich der Abstand des Objekts ermitteln, an dem die Schallwellen reflektiert wurden.
Akustische Oberflächenwelle AOW / SAW
Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Körperschallwellen
Anwendungen
Bestimmung des Aufwuchses und Steuerung Gestänge Pflanzenschutz-Spritze; Bewegungsmelder, Tierschreck, Durchflussmessung, Trächtigkeitsuntersuchung
Anwendung AOW: Standortermittlung von Nutztieren im Stall, Durchflussmessung und Temperaturmessung von Oberflächen
Mit einem Radarsensor ist es möglich eine Distanzmessung von Objekten durchzuführen. Neben der Distanzmessung kann auch die Relativgeschwindigkeit eines Objektes gemessen werden.
Sensor Technologie
Radar: radio detection and ranging (dt. funkgestützte Radiowellen) Ortung und Abstandsmessung z.B. Abstand zur Kultur
Die Frequenz einer vom Sensor kontinuierlich ausgesandten Trägerfrequenz variiert im Bereich der betrachteten Bandbreite. Sobald das Signal von einem Objekt zu dem Sensor zurück reflektiert wird, kann daraus die Distanz und die Geschwindigkeit des erfassten Objektes bestimmt werden.
Anwendungen
Berechnung Geschwindigkeit und Schlupf z.B. beim Pflügen
LiDAR-Sensoren sind in der Lage Höhe, Volumen und Masse eines Objektes (Pflanze, Schwad, Tier, ...) präzise ermitteln.
Sensor Technologie
LiDAR: light detection and ranging (dt. Bedeutung: Laserstrahlen zur Abstandsmessung)
Anwendungen
Abbildung des Schwads zur Optimierung der Aufnahme in die Maschine, Viehbestand bzw. einzelne Tiere, Überwachung von Futterstellen
Der Beschleunigungsmesser misst die Neigungsposition, während das Gyroskop die Rotationsrate bestimmt.
Sensor Technologie
Kapazitativer Sensor auf den Achsen X,Y,Z
Funktion: eine Komponente ist fest und die andere (die Prüfmasse) ist beweglich, aufgehängt an Federelementen. Befindet sich der Neigungsmesser in horizontaler Lage, wird die Kapazitanz zwischen den Elektroden gemessen. Wird der Sensor gekippt, ändert sich die Position der beweglichen Masse und ihrer Elektrode gegenüber der festen Elektrode. Diese resultierende Kapazitanzänderung zwischen den beiden Elektroden wird von der Sensorzelle gemessen und zur Berechnung des neuen Neigungswertes herangezogen.
Anwendungen
Neigungs- und Positionsmessung der Maschinen und Geräte (wichtig bei automatischer Lenksteuerung)
Aktivitätstracker an der Kuh (Schrittzähler, Wiederkauaktivität, Liege- und Fresszeit)
Diese physikalische Eigenschaft des Bodens ändert sich stark abhängig vom jeweiligen Wassergehalt. Die Messung der Feuchtigkeit im Erdreich wird durch Messung der dielektrischen Permittivität / Dielektrizitätskonstante ε = 1 (Luft) bis ε = 80 (Wasser) ermittelt ( VWC = Volumetric Water Content = Volumetrischer Wassergehalt in %)
Sensor Technologie
Messung des Widerstandes und der Veränderung der dielektrischen Durchlässigkeit (Permittivität) des Bodens
Anwendungen
Bestimmung des Wassergehaltes des Bodens. Das ist die Basis für Bewässerungsmassnahmen
Zum ersten Mal, an der AGRITECHNICA 2019, zeigt SAMSON AGRO A/S ein Preview von einem neuen nuclear magnetic resonance (NMR) Sensorsystem - für genaue Messung der Nährstoffe in organischem Dünger in Echtzeit. Der Sensor wird über ein in SAMSON PG II Güllewagen integriertes mobiles System verfügbar sein, das repräsentative Gülleproben zur Analyse in Echtzeit entnimmt.
Sensor Technologie
Diese Sensortechnik basiert auf der 1 - 70 MHz-Mehrfrequenz-Magnetresonanztechnologie und kann die Konzentration von Güllekomponenten auf atomarer Ebene messen
Anwendungen
Der neue NPK Sensor analysiert den NPK Gehalt in organischem Dünger mit einer Präzision, die es ausserhalb Laborbedingungen noch nie gegeben hat.
Der Topsoil Mapper von Geoprospectors scannt mittels Sensoren die Leitfähigkeit des Bodens in 4 Schichten bis zu ca. 1m Tiefe.
Sensor Technologie
Aufbau eines elektrischen Feldes (E-Feld) bei einer Änderung der magnetischen Flussdichte, Messung der elektrischen Spannung. Im Sekundentakt schickt eine Sendespule während der Fahrt elektromagnetische Wellen in den Boden, die abhängig u. a. von Bodenart, Wassergehalt und Verdichtungen unterschiedlich starke Ströme induzieren. Sie erzeugen in der Empfangsspule eine Sekundärwelle, die dann entsprechend ausgewertet wird.
Anwendungen
Der Topsoil Mapper scannt mittels Sensoren die Leitfähigkeit des Bodens in 4 Schichten bis zu ca. 1m Tiefe. Daraus können dann Wassergehalt/ Verdichtungen abgeleitet werden.
Das EM38 vom kanadischen Hersteller Geonics misst die Bodenleitfähigkeit nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Dazu werden zwei Spulen auf einem Schlitten über den Acker bewegt.
Sensor Technologie
Thermoelement: Das Thermoelement ist ein Paar metallischer Leiter aus unterschiedlichem Material und liefert elektrische Energie aus Wärme bei einer Temperaturdifferenz entlang des elektrischen Leiters. Die dabei auftretende elektrische Spannung an den Enden der metallischen Leiter ist vergleichsweise klein. Deswegen werden Thermoelemente hauptsächlich bei höheren Temperaturen von mindestens 300 °C eingesetzt. Die Thermospannung ist ein Mass für die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Leitern.
Widerstandstemperaturfühler
Heissleiter - Thermisto-Sensor (NTC)
Das sind Halbleiter-Sensoren, die ihren elektrischen Widerstandswert mit steigender Temperatur verringern. Im Unterschied zu Platin-Messwiderständen ist die Temperaturabhängigkeit des Widerstands bei Thermistoren allerdings nur in einem sehr eingeschränkten Bereich quasi linear. Daher sind Thermistoren nur für relativ enge Temperaturbereiche zu empfehlen (Fieberthermometer).
Kaltleiter (PTC)
Platin-Widerstandsthermometer wie Pt100 und Pt1000. Herzstück dieser Temperatursensoren ist ein Platin-Widerstand, dessen elektrischer Widerstand sich über einen weiten Temperaturbereich quasi linear mit der Temperatur ändert: mit steigender Temperatur steigt auch der Widerstand.
Anwendungen
Klassischer Temperaturfühler im Boden, Luft, Motor des Traktors, Milchtank, ...
Durchflussmessung: Durch die Umströmung findet ein Wärmetransport in das Strömungsmedium statt, der sich mit der Strömungsgeschwindigkeit verändert. Zur Überwachung Schläuche Gülletechnik oder Särohre.
Ein System zur kabellosen Informationsübertragung durch kleinste so genannte Transponder oder Tags. In ihrer einfachsten Form dienen sie lediglich zur sicheren Identifizierung von Lebewesen und Produkten.
Sensor Technologie
Radio Frequency Identification - Eine Identifizierung über elektromagnetische Wellen. Für die Anwendung der Technologie ist ein System aus Sender und Empfänger notwendig, welche sich aus einem Transponder und einem Lesegerät zusammensetzt. Das Lesegerät (Reader) erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld, dem der RFID-Transponder (RFID-Tag dt. Etikett, Anhängezettel) ausgesetzt wird. Die von ihm über die Antenne aufgenommene Hochfrequenzenergie dient während des Kommunikationsvorganges als Stromversorgung für seinen Chip. Der so aktivierte Mikrochip im RFID-Tag decodiert die vom Lesegerät gesendeten Befehle. Die Antwort codiert und moduliert das RFID-Tag in das eingestrahlte elektromagnetische Feld durch Feldschwächung. Damit überträgt das Tag seine Seriennummer (UID) oder andere vom Lesegerät abgefragte Information. Das Tag erzeugt selbst also kein Feld, sondern beeinflusst das elektromagnetische Sendefeld des Readers.
Anwendungen
Tiererkennung z.B. Kühe am Kraftfutterautomat, Sauen an Eberbucht, Aufenthaltsorte der Tiere im Stall, Dokumentation Temperatur in einer Kühlkette vom Erzeuger bis zum Verarbeiter. Weitere Anwendungen: Blutdruck drahtlos messen durch Nano-RFID Chips in Blutbahnen von Tieren, pH-Wert und die Temperatur Messung im Pansen von Milchkühen.
Der pH-Wert wird am häufigsten auf elektrochemischem Wege bestimmt und nicht über Säure-Base-Indikatoren. Das am häufigsten verwendete Messprinzip benutzt das Potential einer Glaselektrode, welche auch als pH-Elektrode bezeichnet wird.
Sensor Technologie
Der pH-Wert wird am häufigsten auf elektrochemischem Wege bestimmt und nicht über Säure-Base-Indikatoren. Das am häufigsten verwendete Messprinzip benutzt das Potential einer Glaselektrode, welche auch als pH-Elektrode bezeichnet wird.
Anwendungen
diverse Anwendungen zur pH-Wert Messung; Pansenbolus, Messung im Boden
Das Anemometer misst die Windgeschwindigkeit. Es besteht aus kleinen Schalen, die der Wind im Kreis dreht. Je schneller sich das Anemometer dreht, umso stärker weht der Wind. Es hat eine senkrechte Achse und drei oder vier Schalen, die den Wind aufnehmen.
Anwendungen
Messung der Windgeschwindigkeit und Volumenströme (Klimageräte, Zuluftschächte, ...) erfassen
Ein Pyranometer ist ein Sensor zum Messen der Bestrahlungsstärke der Sonne. Geschwärzte Empfangsflächen von aktiven Lötstellen der Thermoelemente absorbieren die einfallende Strahlung und erwärmen sich gegenüber passiven Lötstellen innerhalb des Gerätes. Die auftretenden Temperaturdifferenzen erzeugen Thermospannungen, die ein Mass für die empfangene Bestrahlungsstärke sind.
