¶ NIR-Sensoren (Nah-Infrarot-Reflexions-Spektroskopie = NIRS)
Die Nahinfrarot-Reflexions-Spektroskopie ist eine physikalisch-optische Analysemethode. Dieses zerstörungsfreie Messverfahren wird neben der Verwendung in der Landwirtschaft in vielen weiteren Gebieten angewendet: Futtermittel- und Lebensmittelherstellung, Prozesskontrolle der Chemie-und Pharmaindustrie, Kunststoffsortierung in der Recyclingbranche [1].
¶ Beschreibung
Die Untersuchung mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) in der Landwirtschaft ist bereits weit verbreitet. Für den Einsatz in den verschiedenen Anwendungsgebieten bedarf es unterschiedlicher Kalibrationen für unterschiedliche Substanzen [2]. Grundsätzlich sind der Nahinfrarotspektroskopie nur wenige Grenzen gesetzt. Die Technik in der Landwirtschaft lässt u. a. folgende Analysen zu:
- Trockensubstanz (TS) von Silomais, Grünfutter, Gülle und Gärreste
- Inhaltsstoffbestimmung in Erntegut und Futtermitteln (Stärke, Protein, Rohfaser etc.)
- Inhaltstoffkonzentration in Gülle und Gärresten (NH4-N, P2O5, K2O, Ges.-N)
In der Landwirtschaft werden NIR-Sensoren derzeit auf Feldhäckslern, Futtermischwagen, Mähdreschern, Güllefässern, als stationäre Einheit oder im Stall eingesetzt [3].
¶ Funktionsweise der Nahinfrarotspektroskopie
Bei der Nahinfrarotspektroskopie wird sich die Strahlung des Lichts und der Schwingung von Stoffen zunutze gemacht. Das Lambert-Beersche Gesetz beschreibt die Abnahme der Strahlungsintensität durch ein absorbierendes Medium. Licht kann demnach absorbiert, reflektiert oder durchgelassen werden [3].
Bei der Bestrahlung einer Probe mit Licht im Nahinfrarotbereich (hier 800 – 2500 nm, siehe Abb. 1) erfolgt die Reflexion in verschiedenen Wellenlängenbereichen, die charakteristisch für die jeweilige Substanz sind. Dabei ist die Stärke der Reflektion abhängig von der Konzentration der Substanz in der Probe. Die Inhaltsstoffe des Mediums können durch diese rasche und zerstörungsfreie Messung anhand der reflektierten oder durchgelassenen Wellenlängen geschätzt werden [3].
Für die Messung wird die Probe mit dem Licht einer Wolfram-Halogen-Lampe bestrahlt. Das reflektierte Licht wird durch ein optisches Gitter (Prisma) in einzelne Wellenlängen zerlegt. Die Intensität der einzelnen Spektren wird mit einem Dioden-Array-System erfasst und als Reflexionsspektrum durch die Messsoftware aufgezeichnet. Aus dem Reflexionsspektrum kann mit einer entsprechenden Kalibrierung die Konzentration des Inhaltsstoffes bestimmt werden. Für die Kalibrierung wird zunächst die Wellenlänge gesucht, an der der zu bestimmende Inhaltsstoff absorbiert. Für diese Wellenlänge wird der Absorptionskoeffizient berechnet, der den Anteil von reflektierten und absorbierten Licht kennzeichnet.
Charakteristisch für Messungen im Bereich nahinfraroter Wellenlängen ist, dass die Absorptionsbanden sehr breit sind und sich zum Teil überlagern. Des Weiteren sind Streulichteffekte besonderes bei geschichteten Materialien möglich. Beides macht die Aufnahme von mehr als einer Wellenlänge in die Kalibriergleichung notwendig. Es müssen daher für jedes untersuchte Gut und jeden Inhaltsstoff zunächst Kalibriergleichungen erstellt werden. Diese werden mit Werten aus Laboranalysen geeicht [4].
Die Nahinfrarotspektroskopie ist ein indirektes Messverfahren. Vorab werden Kalibrierungen aus statistischer Aufbereitung (Regressionsgleichung) benötigt. Durch die Komplexität der Zusammensetzung landwirtschaftlicher Flüssigdünger ist dies vorab besonders relevant [3]. Die Entwicklung der Kalibrierung erfolgt nach Abbildung 2.
Bei der Bestimmung relevanter Stoffe in Gülle während der Applikation ist es notwendig, diese Kalibration(en) in der Software des Systems zu hinterlegen [5]. Wird nun die Gülle analysiert, erfolgt der Vergleich der zuletzt gemessenen Probe mit dem Referenzspektrum.
Daraus lässt sich ein Schätzwert ableiten, der bspw. den Gesamt-Stickstoff in kg N/m3 angibt. Abschließend kann die aufzubringende Düngermenge pro Flächeneinheit ermittelt werden, die sich am Sollwert orientiert. Abbildung 3 zeigt schematisch den Aufbau eines mit NIRS-Sensoren ausgestatteten Güllewagens.
¶ Anwendungsbereich
¶ Quellen
- Mit Nahinfrarot organische Substanzen analysieren: analyticon instruments GmbH
- Differenzierung von Rohprotein mit NIRS-Filtertechnik: W. Wenzel, L. Gruber, L. Haberl, R. Resch
- Was kann NIRS in der Landwirtschaft leisten?: F. Lichti, S. Thurner, G. Henkelmann, G. Döring, A. Alkofer, M. Berndl, S. Zunhammer, S. Dercks
- Inhaltsstoffe bereits auf dem Feld ermitteln - Ansätze, Lösungen und Erfahrungen (A): Y. Reckleben, E. Hartung
- Einsatz von Nahinfrarotspektroskopie für eine nährstoffgesteuerte Gülleausbringung: A. Zimmermann et al.
¶ weiterführende Quellen
- Kontinuierliche Analyse von Schweinegülle mit Nahinfrarotspektroskopie (NIR): M. Dolud et al.
- Nährstoffgehalte in Gülle online mit Sensoren bestimmen: U. Rubenschuh, F. Volz
- Gülleschnellanalytik mittels NIRS-Trägertechnik: W. Wenzl, A. Pöllinger, B. Steiner, N. Weran
- Experimentierfeld DigiMilch: Digitalisierung in der Prozesskette Milcherzeugung: I. Lorenzini, M. Boppel, F. Worek, S. Beckmann, J. Poteko, S. Sauter, F. Lichti, S. Thurner, M. Schäffler, J. Harms, B. Haidn
¶ Autoren*innen
Dipl.-Ing.(FH) Beatrice Thöm, Forschungs- und Entwicklungszentrum GmbH Fachhochschule Kiel
Michael Wagner, Technische Zentralstelle Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum Rheinhessen-Nahe-Hunsrück (TZ DLR-RNH)