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Entwicklung eines Sensorsystems und einer Mehrkanalmessvorrichtung zur simultanen Messung von Bodendruck und -setzung

In der ersten Projektphase entwickelten die Wissenschaftler*innen das SoilAssist-Sensorsystem (SASS). Es ermöglicht die Ableitung von verschiedenen Fahrzeugdaten oder Reifendaten. Ein weiteres Ergebnis ist eine Mehrkanal-Messvorrichtung zur simultanen Messung von Bodendruck und Bodensetzung in unterschiedlichen Tiefen des Bodens. In der zweiten Projektphase liegt der Fokus in der Weiterentwicklung und Verbesserung des SASS und der Messung im Feld mit beiden Systemen.

Weitere Infos und Ergebnisse der SASS und der Mehrkanal-Messvorrichtung finden Sie hier.

SASS ...

Mit dem in der ersten Projektphase entwickelten innovativen SoilAssist-Sensorsystem können Maschinendaten und Informationen zur Reifen-Boden-Schnittstelle abgeleitet werden.

Das in der ersten Projektphase entwickelte SASS ermöglicht eine Ableitung von Maschinendaten, Reifendaten sowie Informationen zur Reifen-Boden-Schnittstelle (z.B. Kontaktflächendruck, Spurtiefe), die durch Messung (Mehrkanal-Messvorrichtung) oder Modellierung (Bodendruck- und -setzungsmodell) von Bodendruck und Bodensetzung mit Veränderungen der Bodenfunktionalität in Ober- und Unterboden verknüpft werden können.

Das SASS misst und überwacht in Echtzeit die dynamische Radlast, den Reifeninnendruck, die Kontaktfläche, den Kontaktflächendruck und die Spurtiefe von Landmaschinen. Es besteht aus einem Ultraschallsensor zur Messung der Reifeneinfederung und einem Drucksensor zur Messung des Reifeninnendrucks. Die Sensoren sind in jeder Reifenfelge der Maschine montiert. Zusätzlich befindet sich ein Ultraschallsensor unter jeder Achse, um die Spurtiefe zu messen.

Die Übertragung der Sensordaten an den zentralen Tablet-PC an der Maschine im Führerstand wurde über WLAN realisiert. Außerdem wurden die Zusammenhänge von Sensordaten und Radlast, Kontaktfläche und Kontaktflächendruck für verschiedene Reifen am Reifenprüfstand des Institutes für Agrartechnologie und im Feld in Abhängigkeit von Reifendimension und Reifeninnendruck ermittelt. Diese Beziehungen wurden in die grafische Benutzeroberfläche des adaptiven Assistenzsystems des Projektpartners DFKI auf dem Tablet-PC integriert. So kann das on-board Assistenzsystem den Kontaktflächendruck unter jedem einzelnen Reifen in Echtzeit im Feldverkehr dynamisch ableiten. Das System ist somit in der Lage, dynamisch Informationen über die aktuelle Bodenbelastung zu liefern. Dies ist Voraussetzung für die Modellierung der Auswirkungen auf Bodenparameter und -funktionen und für die Ableitung von Empfehlungen zur Optimierung der Maschinenparameter und Fahrrouten.

Messungen mit der SASS führten die Wissenschaftler*innen in der 1. und 2. Projektphase am New Holland Messschlepper und dem Grimme Rübenroder durch. Im Ergebnis konnten wir zum Beispiel die unterschiedliche Belastung des Vorgewendes bei der Bodenbearbeitung mit einem Grubber zwischen ausgehobenem und angehängtem Grubber zeigen. Bei ausgehobenem Grubber wird dieser im Dreipunkt des Traktors befestigt. Am Vorgewende wird der Grubber ausgehoben, so dass sein komplettes Gewicht auf der Hinterachse des Traktors liegt. Mit diesem zusätzlichen Gewicht fährt er beim Wenden über das Vorgewende. Beim angehängten Gerät wird der Grubber hydraulisch über eine Walze am Vorgewende aus dem Boden gehoben. Dadurch verändert sich das Gewicht auf der Hinterachse des Traktors während der Überfahrt des Vorgewendes kaum. Während die Hinterachse des Traktors mit angehängtem Grubber im Vorgewende eine ähnliche Belastung zeigt wie bei der statischen Wiegung (ca. 4,7 t), steigt die Belastung bei ausgehobenem Grubber auf ca. 6,5 – 7,0 t an. Dies bedeutet einen Unterschied von ca. 2 t, die bei ausgehobenem Grubber zusätzlich auf das Vorgewende aufgebracht werden.

Aus den Untersuchungen wird deutlich, dass die Wahl der jeweiligen Bearbeitungstechnik erheblichen Einfluss auf die Lastverteilung in der Fläche haben kann. Dem steht entgegen, dass der angehängte Grubber teurer ist und damit zusätzliche Investitionskosten anfallen. Ob sich diese mittel- bis langfristig amortisieren, ist Gegenstand der Untersuchungen im sozioökonomischen Teilprojekt. Mit Blick auf einen verstärkten Bodenschutz und die nachhaltige Sicherung von Bodenfunktionen gehen die Empfehlungen, die sich aus unseren Untersuchungen ableiten lassen, ganz eindeutig zu angehängten Geräten.

Mehrkanal-Messvorrichtung ...

Mit der Mehrkanal-Messvorrichtung können simultan der Bodendruck und die Bodensetzung, die durch die Befahrung mit landwirtschaftlichen Fahrzeugen hervorgerufen werden, in unterschiedlichen Bodentiefen gemessen werden.

Die Wissenschaftler*innen entwickelten eine Mehrkanal-Messvorrichtung zur simultanen Messung von Bodendruck und Bodensetzung in verschiedenen Tiefen. Mit ihr kann die Ausbreitung von Druck und Setzung hervorgerufen durch landwirtschaftlichen Feldverkehr von der Boden-Reifen-Schnittstelle bis in tiefere Bodenschichten verfolgt werden. Dynamische Befahrungseffekte werden mit in-situ-Messungen dargestellt. Die Messung von Bodendruck mithilfe von Sonden gibt Auskunft über die Druckverteilung im Boden aufgrund von mechanischen Lasteinträgen (Bolling, 1987; Lebert, 2010). Mit Hilfe der Bodendruckmessung in Kombination mit der Bestimmung des Kontaktflächendruckes lässt sich somit die Belastung des Bodens in unterschiedlichen Tiefen ermitteln. Über die Auswirkungen auf Bodenfunktionen bzw. Veränderungen im Boden sagt dieser Wert jedoch erst einmal nichts aus. Daher müssen die Veränderungen im Boden simultan gemessen werden.

Eine Veränderung im Boden durch Befahrung ist die Bodensetzung oder -deformation. Solange diese elastisch erfolgt und der Boden in seinen Ausgangszustand zurückfedert, kann davon ausgegangen werden, dass sich auch an seinen Eigenschaften nichts verändert hat. Kommt es jedoch zu plastischen Setzungsprozessen, müssen auch die funktionalen Änderungen des Bodens erfasst werden. Daher wurde in SoilAssist ein System entwickelt, das auf dem Messprinzip einer Schlauchwaage beruht und in der Lage ist, Setzungen in Form von Höhenunterschieden mit einer Genauigkeit von 0,1 mm zu messen. Die Setzungsmessung zeigt sowohl eine Veränderung an als auch, ob eine Verdichtung elastischer oder plastischer Art ist. Eine Aussage über eine mögliche schadhafte Verdichtung, die sich auf die Funktionalität des Bodengefüges auswirkt, lässt sich allein mit dieser Methode nicht treffen, jedoch kann bestimmt werden, ob die Befahrung zu einer Verschlechterung des Ausgangszustands beigetragen hat. Diese Messungen werden mit Ergebnissen von ungestörten Stechzylinderproben in verschiedenen Bodentiefen kombiniert, um Veränderungen der Bodenstruktur und -funktionen durch Befahrung zu bestimmen.

Die Mehrkanal-Messvorrichtung besteht neben neun Bolling-Sonden zur Bodendruckmessung aus neun Setzungsmesssonden zur Messung der Bodenverformung in drei Tiefen in dreifacher Wiederholung. Zur Feldmessung und Aufzeichnung der Druck- und Setzungsdaten wurde ein Software-Programm „Druck und Setzung“ entwickelt. Es dient der Visualisierung und Aufzeichnung der von den Sensoren für Bodendruck und -setzung gelieferten Messsignale.

Die Setzungsmessschläuche und die Bolling-Sonden der Mehrkanal-Messvorrichtung werden für die Befahrungsversuche in einer seitlich befindlichen, präparierten Grube aus in den Tiefen 20, 35 und 50 cm direkt unter die Fahrspur eingebracht. Für den Befahrungsversuch überrollt das zu untersuchende landwirtschaftliche Fahrzeug die Messstelle, sodass die Sensoren direkt unterhalb der Reifenmitte messen können.

Ergebnisse unterschiedlicher landwirtschaftlicher Maschinen auf Bodendruck und -setzung finden Sie hier.

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