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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung von Inhaltsstoffen eines zu untersuchenden Materials.
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Stand der Technik
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Die Messung von Inhaltsstoffen mittels optischer Spektroskopie, insbesondere Nah-Infrarot-(NIR-) Spektroskopie, ist heute eine etablierte Technologie. Sie wird in vielen Anwendungen, beispielsweise in der Lebensmittelindustrie und in der Landwirtschaft genutzt, z.B. zur Untersuchung des Zustands auf einem Feld stehender Pflanzen, von Inhaltsstoffen geernteter Pflanzenteile oder in Böden oder der Zusammensetzung von Gülle oder Milch.
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Dabei werden spektroskopische Messungen an einem Stoff z.B. in Reflexion und/oder Transmission vorgenommen. Man bekommt die wellenlängenabhängigen Intensitäten, allgemeinhin und im Folgenden Spektrum genannt. Aus dem Spektrum werden anhand einer Kalibrierfunktion die Inhaltsstoffe berechnet.
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Beispielsweise kann ein Spektrum durch Anwendung eines linearen Modells in der Form Inhaltsstoff = Σi Spektrum * Koeffizienten + Offset in den Inhaltsstoffgehalt umgerechnet werden. Es werden somit die Intensitäten der Bestandteile i des Spektrums jeweils mit dem Wert i zugehörigen Koeffizienten multipliziert und aufaddiert. Die Koeffizienten und der Offset werden im Stand der Technik anhand eines Lerndatensatzes aus Spektren und zugehörigen Inhaltsstoffgehalten, die unabhängig von der spektroskopischen Messung durch übliche Analysemethoden im Labor bestimmt werden, durch geeignete lineare Regressionsmethoden (Kalibrieralgorithmus) festgelegt. Es erfolgt somit an einer Anzahl von Proben mit jeweils bekannten Inhaltsstoffgehalten eine spektroskopische Messung, um einen für einen zu untersuchenden Inhaltsstoff für jede der i untersuchten Wellenlängen den zugehörigen Zusammenhang (hier: Koeffizienten und Offset) zu bestimmen. Diese Zusammenhänge werden schließlich abgespeichert und bei einer anschließenden Messung einer unbekannten Probe genutzt, um anhand des aufgenommenen Spektrums unter Verwendung z.B. der erwähnten Gleichung den Anteil des Inhaltsstoffs zu ermitteln (vgl. J.B. Reeves III et al., Near-Infrared Spectroscopic Determination of Carbon,Total Nitrogen, and Ammonium-N in Dairy Manures, J Dairy Sci 83 (2000), Seiten 1829-1836).
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Es stellt sich somit das Problem, für unterschiedliche Materialien und Inhaltsstoffe die Zusammenhänge zu erstellen, d.h. einen hinreichend großen und genauen Lerndatensatz zu erzeugen, und zur Messung an den Spektrometern bereitzustellen. Bei den in der Lebensmittel- und Landwirtschaft zu untersuchenden Materialien ist es, da sie in der Regel aus mehr oder weniger heterogenen Stoffgemischen bestehen, üblicherweise vorgesehen, für jede Art von Material und Inhaltsstoff unterschiedliche Zusammenhänge zu verwenden. So werden bei der Analyse der Inhaltsstoffe von Grünpflanzen unterschiedliche Zusammenhänge für Gras und Mais benötigt.
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Die Erstellung der Zusammenhänge erfolgt im Stand der Technik durch Entnahme von Proben während eines Arbeits- oder Erntevorgangs aus dem Erntegutstrom und Analyse im Labor (
FR 2 801 380 A1 ,
EP 1 378 742 A2 ), wobei die Aufnahme der zur Erstellung der Zusammenhänge verwendeten Spektren auch während des Arbeits- oder Erntevorgangs direkt an der jeweils entnommenen Probe erfolgen kann (
WO 2005/003728 A2 ;
DE 102 36 515 C1 ; M. Ewers et al., NIR-Sensor for determination of product quality of grain while combining, CIGR World Congress „Agricultural Engineering for a Better World“ vom 03.-07.09.2006 in Bonn, VDI-Berichte Nr. 1958, Seiten 163-164 und zugehörige CD).
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Die
EP 0 908 087 A1 beschreibt einen Mähdrescher mit einem unterhalb der Reinigung angeordneten Querförderer, der das gereinigte Korn einem Elevator zuführt. Dem Querförderer sind ein erster, mit dem Körnerstrom zusammenwirkender, kapazitiv arbeitender Feuchtesensor und ein stromab folgender, zweiter Feuchtesensor zugeordnet. Der zweite Feuchtesensor wird mit einer aus dem Erntegutstrom entnommenen Probe beaufschlagt, die zerkleinert und ausgeheizt wird, um den Anteil des verdunstenden Wassers zu erfassen. Der möglichst genau ermittelte Feuchtewert des zweiten Feuchtesensors kann von einer Sensorzustandskontrollvorrichtung mit dem vom ersten Feuchtesensor ermittelten Feuchtewert verglichen und bei Abweichungen ein Korrekturfaktor für den ersten Feuchtesensor bestimmt werden.
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Im Stand der Technik wurde neben spektroskopischen Analysen landwirtschaftlicher Materialien auch vorgeschlagen, einen NMR-Sensorzu verwenden, der auf nuklear-magnetischer Resonanz basiert. Dieses Messverfahren beruht darauf, dass Kerne magnetisch aktiver Atome (Spin ungleich 0) sich in einem ersten, statischen magnetischen Feld befinden und einem zweiten, oszillierenden Magnetfeld ausgesetzt werden. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem zweiten Magnetfeld und den Dipolmomenten der im ersten, statischen Magnetfeld ausgerichteten Kerne wird eine Resonanzenergie freigesetzt, welche ein messbares elektromagnetisches Feld erzeugt, das detaillierte Informationen hinsichtlich der Struktur, Dynamik, des Reaktionszustands und der chemischen Umgebung des zu sensierenden molekularen Materials enthält (vgl. P. Mazzei et al, HRMAS NMR spectroscopy applications in agriculture, Chem. Biol. Technol. Agric. (2017) 4:11 und dort zitierte Referenzen).
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Die
EP 3 282 246 A1 beschreibt eine Sensoranordnung zur Erfassung der Inhaltsstoffe von Gülle, der einen NIR-Sensor und einen NMR-Sensor umfasst, deren Ausgangwerte fusioniert werden können. Es erfolgt demnach eine gleichzeitige Messung mit beiden Sensoren.
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Aufgabe
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Ein Nachteil der bisher üblichen Vorgehensweise zur Erstellung der Zusammenhänge für spektroskopische Sensoren mittels einer Inhaltsstoffanalyse im Labor liegt darin, dass eine hohe Anzahl an Laboranalysen erforderlich ist, die in kostenaufwändiger Weise manuell zu erstellen sind. Zudem entspricht die Probe bei der Analyse im Labor nicht unbedingt mehr der beim Arbeits- oder Erntevorgang entnommenen Probe, da sie inzwischen gealtert ist (es können beispielsweise Welk- oder Zersetzvorgänge eingetreten sein), was die Genauigkeit der Erstellung der Zusammenhänge beeinträchtigt, insbesondere wenn die zu Grunde gelegten Spektren beim Erntevorgang aufgenommen wurden, während bei der Aufnahme der Spektren im Labor untypische (nämlich gealterte) Proben verwendet werden, die nicht unbedingt mit den im Feld anzutreffenden Materialien übereinstimmen. Ein anderes Problem, beispielsweise bei Gülle ist, dass sich die Materialpräsentation für den spektroskopischen Sensor im Labor - bei dort erfolgender Aufnahme der Spektren - nicht gut nachstellen lässt, denn während die spätere Messung an der Maschine an einem Rohr mit großem Durchmesser erfolgt, ist Derartiges im Labor z.B. bezüglich der Fließgeschwindigkeit und anderer Parameter kaum darstellbar.
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Die in
EP 0 908 087 A1 beschriebene Kalibrierung eines ersten Sensors anhand der Messwerte eines zweiten Sensors beschränkt sich auf den einfachen Fall eines reinen Feuchtesensors, bei dem ein simpler Korrekturfaktor zur Kalibrierung ausreicht. Diese Vorgehensweise lässt sich nicht ohne Weiteres auf die Datenauswertung von spektroskopischen Sensoren übertragen.
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In der
EP 3 282 246 A1 wird ein NMR-Sensor als zweiter Sensor verwendet, dessen Ausgangssignal mit dem des NIR-Sensors verschmolzen wird. Diese Fusionierung der Signale kann das beschriebene Problem der Erstellung der Zusammenhänge zwischen den Spektren und Inhaltsstoffgehalten bei den spektroskopischen Sensoren nicht lösen.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, die genannten Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu vermindern.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruches 1 gelöst, wobei in den weiteren Patentansprüchen Merkmale aufgeführt sind, die die Lösung in vorteilhafter Weise weiterentwickeln.
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Eine Sensoranordnung zur Erfassung von Inhaltsstoffen eines zu untersuchenden Materials umfasst einen ersten, mit dem Material zusammenwirkenden Sensor, der konfiguriert ist, ein optisches Spektrum des Materials zu messen und der mit einer Auswertungseinrichtung gekoppelt ist, die konfiguriert ist, anhand des gemessenen Spektrums und von Kalibrierdaten einen Ausgabewert hinsichtlich des Gehalts des Materials an einem oder mehreren Inhaltsstoffen auszugeben. Ein zweiter Sensor ist konfiguriert ist, das vom ersten Sensor untersuchte Material zu analysieren und ein Signal hinsichtlich des Gehalts des Materials an dem einem oder mehreren Inhaltsstoffen auszugeben. Eine Kalibrierdatenerzeugungseinrichtung ist konfiguriert, anhand des Signals des zweiten Sensors die Kalibrierdaten für die Auswertungseinrichtung zu erzeugen, die nachfolgend für sich zeitlich anschließende Messungen des ersten Sensors verwendet werden.
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Mit anderen Worten wird das Material zweifach untersucht, nämlich zum Einen durch einen ersten, optischen Sensor, der ein Spektrum bereitstellt und zum Anderen durch einen zweiten Sensor, der den Inhaltsstoffgehalt des Materials ermittelt, welcher wiederum dazu dient, Kalibrierdaten für eine Auswertungseinrichtung bereitzustellen, die anhand des Spektrums den Inhaltsstoffgehalt des Materials bestimmt. Auf diese Weise erfolgen die Aufnahme des Spektrums und eine weitere Sensierung der Inhaltsstoffe sowie eine darauf basierende Erstellung von Kalibrierdaten in situ, was die oben erwähnten Nachteile insbesondere hinsichtlich der Alterung der Proben bei Laboranalysen vermeidet.
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Der erste Sensor kann ein in Reflexion und/oder Transmission arbeitendes Nahinfrarot- (NIR-) Spektrometer sein. Der zweite Sensor kann ein nuklearmagnetischer Resonanz- (NMR-) Sensor sein.
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Die Auswertungseinrichtung kann den Ausgabewert anhand in einem Speicher abgelegter Zusammenhänge zwischen den Spektren und dem Ausgabewert erzeugen.
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Bei einer ersten Ausführungsform kann die Auswertungseinrichtung die Kalibrierdaten bei nachfolgenden Messungen zur Korrektur eines anhand eines Spektrums und der abgespeicherten Zusammenhänge erzeugten Ausgabewerts verwenden. Bei dieser Ausführungsform bleiben die Zusammenhänge somit unverändert, sondern es wird der anhand des Spektrums und der Zusammenhänge ermittelte (Roh-) Inhaltsstoffgehalt anhand der beispielsweise als mathematische Relation vorhandenen Kalibrierdaten nachkorrigiert bzw. modifiziert.
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Bei einer zweiten Ausführungsform verwendet die Auswertungseinrichtung die Kalibrierdaten bei nachfolgenden Messungen als Zusammenhang zwischen den Spektren und dem Ausgabewert. Hierzu ist die Kalibrierdatenerzeugungseinrichtung konfiguriert, anhand des Spektrums und des Signals des zweiten Sensors einen (als Kalibrierdaten dienenden) Zusammenhang zwischen dem Spektrum und dem Gehalt des Materials und dem wenigstens einem Inhaltsstoff zu ermitteln und die Auswertungseinrichtung ist konfiguriert, die Kalibrierdaten bei nachfolgenden Messungen als Zusammenhang zwischen den Spektren und dem Ausgabewert zu verwenden. Bei dieser Ausführungsform wird somit der Zusammenhang in situ erstellt und bei nachfolgenden Messungen verwendet.
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Der erste Sensor kann einem vom Material durchströmten Kanal benachbart sein, während der zweite Sensor eine aus dem Kanal entnommene Probe des Materials analysieren kann.
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Die Kalibrierdatenerzeugungseinrichtung kann zur Übersendung von Kalibrierdaten in signalübertragender Verbindung mit einem dritten Sensor stehen, welcher mit dem ersten Sensor baugleich ist.
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Die Sensoranordnung kann insbesondere an einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine verwendet werden, wobei der von der Sensoranordnung gemessene Gehalt der Probe, bei der es sich beispielsweise um auf einem Feld stehende Pflanzen oder geerntete Pflanzen oder Gülle handeln kann, an dem einen oder mehreren Inhaltsstoffen zu Dokumentationszwecken georeferenziert abgespeichert und/oder zur Ansteuerung eines Aktors verwendet wird.
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Ausführungsbeispiele
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In den Zeichnungen sind nachfolgend näher beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht einer landwirtschaftlichen Maschine mit einer Sensoranordnung,
- 2 ein Flussdiagramm hinsichtlich einer ersten möglichen Vorgehensweise der Sensoranordnung,
- 3 ein Flussdiagramm hinsichtlich einer zweiten möglichen Vorgehensweise der Sensoranordnung, und
- 4 bis 7 Diagramme zur Veranschaulichung der Schritt 106, 108, 206 und 208 der 2 und 3.
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Die
1 zeigt schematisch eine stationäre oder mobile landwirtschaftliche Maschine 10. Innerhalb der Maschine 10 ist ein Kanal 12 ausgebildet, durch den im Betrieb ein zu untersuchendes Material 14 hindurch strömt. Das Material 14 kann in dem Kanal 12 aktiv gefördert werden, z. B. durch einen nicht gezeigten Schneckenförderer oder es wird stromauf und/oder stromab des Kanals 12 aktiv gefördert oder es durchströmt den Kanal 12 allein durch die Wirkung der Schwerkraft und/oder einen Druckunterschied. Bei dem Material 14 kann es sich um festes oder flüssiges Material handeln, beispielsweise Erntegut, wie in einem Mähdrescher geerntetes und von Emtegutresten, wie Stroh, Kaff und Streu, getrenntes Korn oder um gehäckseltes Erntegut in einem Feldhäcksler. Es kann sich auch um flüssiges Material handeln, wie Milch oder Gülle oder Fruchtsaft oder Wein oder Bier. Es wäre auch denkbar, dass die im Folgenden näher beschriebenen Sensoren 16 und 18 nicht an einem durchströmten Kanal 12 positioniert sind, sondern an dem Material vorbeibewegt werden, z.B. an einem auf einem Feld liegenden Schwad (vgl.
EP 1 407 654 A1 ), oder bei dem Material handelt es sich um Boden, über den oder durch den die Sensoranordnung geführt wird, um dessen Inhaltsstoffe und insbesondere einen Düngemittelbedarf zu erfassen. Bei der Maschine 10 kann es sich demnach beispielsweise um einen Mähdrescher, einen Feldhäcksler, eine Ballenpresse, ein Güllefass, eine Sä- oder Düngemaschine oder einen Melkroboter handeln. Die Maschine 10 könnte auch eine beliebige stationäre Maschine sein, die einen beliebigen Stoff (insbesondere ein Lebensmittel) in irgendeiner Weise bearbeitet oder zumindest fördert.
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Der von der Sensoranordnung gemessene Gehalt des Materials 14 an dem einen oder mehreren Inhaltsstoffen kann zu Dokumentationszwecken georeferenziert abgespeichert und/oder zur Ansteuerung eines Aktors verwendet werden. Falls die Maschine 10 ein Güllefass umfasst und die Sensoranordnung mit dem Inhalt des Güllefasses oder der hinein oder daraus fließenden Gülle zusammenwirkt, kann deren Ausgangswert dazu dienen, um die Ausbringung der Gülle auf ein Feld basierend auf den durch die Sensoranordnung erfassten Gehalt des sensierten Materials an dem einem oder mehreren Inhaltsstoffen zu kontrollieren.
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Dem Kanal 12 sind ein erster Sensor 16 und ein zweiter Sensor 18 zugeordnet.
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Der erste Sensor 16 umfasst ein Spektrometer 26 zur Erfassung des Gehalts des Materials 14 an einem oder mehreren Inhaltsstoffen. Innerhalb eines Gehäuses 20 ist ein Fenster 22 angeordnet, durch das eine Lichtquelle 24 das außerhalb des Gehäuses 20 im Kanal 12 fließende Material 14 durch eine Öffnung im Kanal 12 hindurch mit Licht beaufschlagt. Das Licht kann breitbandig sein oder nur diskrete Wellenlängen umfassen, die zeitlich nacheinander oder gleichzeitig abgestrahlt werden, wobei die Wellenlänge üblicherweise den nahen Infrarotbereich umfasst.
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Vom untersuchten Material 14 reflektiertes (oder z.B. im Fall, dass die Lichtquelle 24 außerhalb des Gehäuses 20 angeordnet sein sollte, durch das Material 14 transmittiertes - oder anderweitig durch das Material beeinflusstes, z.B. transflexiertes, d.h. an einem Spiegel reflektiertes, oder transduziertes, d.h. an einer Kontaktfläche vom Material absorbiertes) Licht wird durch das im Wellenlängenbereich der Lichtquelle 20 sensitive, innerhalb des Gehäuses 20 angeordnetes Spektrometer 26 analysiert, das an einer Leitung 28 ein Spektralsignal abgibt, das für bestimmte Wellenlängen des empfangenen Lichts eine Information hinsichtlich der zugehörigen Intensität enthält. Das Spektrometer 26 kann in an sich bekannter Weise ein dispersives Element 30 (z.B. Prisma, Filter, Gitter etc.) umfassen, welches das einlaufende Licht in von der Wellenlänge abhängige Richtungen ablenkt, das von mehreren lichtempfindlichen, jeweils einem Wellenlängenbereich zugeordneten Elementen eines Detektorarrays 32 (Fotodioden, CCDs o.dgl.) empfangen wird (s.
DE 199 22 867 C5 und den dort zitierten Stand der Technik). Bei einer anderen Ausführungsform ist nur ein einziges lichtempfindliches Element vorhanden, dem das durch das dispersive Element in unterschiedliche Wellenlängen aufgeteilte Licht zeitlich nacheinander zugeführt wird (vgl.
EP 3 444 577 A1 ). Das auf der Leitung 28 vorliegende Spektralsignal enthält somit eine Information hinsichtlich der Intensitäten unterschiedlicher Wellenlängen des von dem Material 14 reflektierten und/oder transmittierten Lichts, das von der Lichtquelle 24 bereitgestellt wurde.
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Der zweite Sensor 18 arbeitet nicht mit dem im Kanal 12 strömenden Material 14 zusammen, sondern erhält eine aus dem Kanal 12 entnommene Probe des Materials 14 zur Messung. Dadurch wird ermöglicht, dass der zweite Sensor 18 über eine beliebig lange Messzeit mit dem Material 14 zusammenwirken kann, was die Messgenauigkeit des zweiten Sensors 18 gegenüber einer Messung des strömenden Materials, wie sie der erste Sensor 16 durchführt, vergrößert. Bei anderen Ausführungsformen könnte jedoch auch der zweite Sensor 18 mit dem strömenden Material zusammenwirken und/oder auch der erste Sensor 16 mit einer aus dem Kanal 12 entnommenen Probe des Materials 14 interagieren.
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Dem zweiten Sensor 18 ist eine Probenentnahmevorrichtung zugeordnet, die in der dargestellten Ausführungsform eine Klappe 34 umfasst, die in einer Öffnung in der Wand des Kanals 12 angeordnet und durch einen Verstellantrieb 36 zwischen einer ersten Position, in der die Klappe 34 sich in der Öffnung befindet und einer zweiten Position, in der die Klappe 34 durch den Verstelltrieb 36 um eine an ihrem stromab liegenden Ende befindliche, sich quer zur Längsrichtung des Kanals 12 erstreckende Achse in den Kanal 12 hinein geschwenkt ist (dort ist die Klappe in der 1 mit 34' bezeichnet und gestrichelt gezeigt), um eine Probe des Materials 14 aus dem Kanal 12 in den Innenraum eines Gehäuses 38 zu leiten. Die Probe des Materials 14 wird somit bei leerem Gehäuse 38 und in der zweiten Position befindlicher Klappe 34 durch den Staudruck des strömenden Materials 14 in das Gehäuse 38 gefördert.
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Im inneren des Gehäuses 38 befindet sich ein Stempel 40, der es ermöglicht, eine im Gehäuse 38 befindliche Probe des Materials 14 aus dem Gehäuse 38 hinaus zu befördern, indem er sie bei in der zweiten, geöffneten Position befindlicher Klappe 36 aus dem Gehäuse 38 hinaus drückt. Hierzu ist der Stempel 40 mit einem Antrieb 42 verbunden, der den Stempel 40 zwischen einer Ruheposition, wie sie in der
1 gezeigt ist, und in der der Stempel 40 von der Klappe 36 weitestmöglich beabstandet ist, und einer der Klappe 36 benachbarten Position bewegen kann. Zweckmäßigerweise wird anschließend, während der Stempel 40 in der der Klappe 36 benachbarten Position verbleibt, die Klappe 36 geschlossen, d.h. in die erste Position verbracht, damit das aus dem Gehäuse 38 geförderte Material 14 durch das nachströmende Material 14 abgefördert wird, und erst anschließend die Klappe 36 geöffnet. Aus diesem Grunde schlägt die Klappe 34' in der zweiten Stellung auch nicht an der unten eingezeichneten Wand des Kanals 12 an, sodass das Material 14 an der geöffneten Klappe 34' vorbeiströmen kann. Der Stempel 40 liegt vorzugsweise an den Wänden des Gehäuses 38 an, um letztere von der Probe des Materials 14 zu reinigen. Der Antrieb 42 des Stempels 40 und der Verstelltrieb 36 der Klappe 34 sind mit einer Steuerung 50 verbunden, die sie in der beschriebenen Weise ansteuert, um das Gehäuse 38 bei Bedarf mit einer Probe des Materials 14 zu füllen und nach Abschluss einer Messung wieder zu entleeren. Es wäre auch denkbar, die besagte Probe nach der Messung in einen separaten Behälter zu füllen, um sie im Labor einer Kontrolluntersuchung unterziehen zu können. Die in der
1 gezeigte Anordnung zur Entnahme der Probe des Materials 14 aus dem Kanal 12 ist nur ein mögliches Ausführungsbeispiel, das durch eine der in der
EP 0 0908 087 A1 ,
WO 2005/003728 A2 ,
DE 102 36 515 C1 oder von M. Ewers et al. (a.a.O.) offenbarten Probennahmeeinrichtungen ersetzt werden könnte.
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Der zweite Sensor 18 ist in der dargestellten Ausführungsform ein NMR-Sensor, der eine Anzahl an Spulen 44 zur Erzeugung eines statischen und eines sich ändernden Magnetfelds und eine Erfassungseinrichtung zur Messung eines resultierenden elektromagnetischen Felds umfasst, die mit einer Kontroll- und Auswertungseinrichtung 46 des zweiten Sensors 18 gekoppelt sind. Der zweite Sensor 18 hat eine ausgehende Leitung 48, an der ein Signal bereitsteht, das eine Information hinsichtlich des Gehalts der vom zweiten Sensor 18 untersuchten Probe an einem oder mehreren Inhaltsstoffen enthält, von denen zumindest einer auch vom ersten Sensor 16 gemessen wird. Zu Einzelheiten möglicher Ausführungsformen des zweiten Sensors 18 und dessen Signalauswertung wird auf Mazzei et al., a.a.O., und die dort zitierten Referenzen verwiesen.
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Der erste Sensor 16 hat eine ausgehende Leitung 28, an der ein Signal bereitsteht, das ein an dem vorbeiströmenden Material 14 aufgenommenes Spektrum repräsentiert, d.h. die Intensität der vom Material 14 reflektierten oder transmittierten Strahlung der Lichtquelle 24, wie oben bereits erwähnt. Die Leitung 28 ist mit einer Auswertungseinrichtung 52 gekoppelt, die anhand von in einem Speicher 54 abgelegten Zusammenhänge zwischen den Spektren und einem oder mehreren Inhaltsstoffen einen Ausgabewert 56 erzeugt, der den Gehalt des untersuchten Materials 14 an dem oder den besagten Inhaltstoff(en) repräsentiert. Bei diesen Inhaltsstoffen kann es sich im Fall von Erntegut um organische Inhaltsstoffe handeln, wie Stärke, enzymlösliche organische Substanzen (ElosT), Öl, und Rohprotein. Außerdem kann auch der Gehalt an nichtorganischen Inhaltsstoffen, wie Mineralstoffen (Asche), z. B. Natrium und Magnesium, Wasser, oder daraus abgeleitete Größen wie Trockensubstanz, Faserlänge, Verdaulichkeit, Energiegehalt und Rohfasergehalt des Erntegutes erfasst werden. Bei landwirtschaftlichen Produkten können als Inhaltsstoffe Zucker, Fett, Eiweiß, Alkohol, Wasser oder beliebige andere Inhaltsstoffe erfasst werden, so bei Gülle beispielsweise die Inhaltsstoffe Sticksoff, Ammonium, Phosphor, Kalium. Die im Speicher 54 abgelegten Zusammenhänge ermöglichen es somit, anhand des Spektrums auszurechnen, wie groß der Gehalt des untersuchten Materials 14 am Inhaltsstoff ist. Einzelheiten einer möglichen Vorgehensweise zur Erstellung dieser Zusammenhänge und zur Berechnung der Inhaltsstoffe anhand der Zusammenhänge sind in der
DE 10 2020 000 904 A1 beschrieben, deren Offenbarung durch Verweis mit in die vorliegenden Unterlagen aufgenommen wird.
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Der zweite Sensor 18 stellt über die Leitung 48 einer Kalibrierdatenerzeugungseinrichtung 58 den vom zweiten Sensor 18 ermittelten Gehalt des sensierten Materials an einem oder mehreren Inhaltsstoffen bereit. Genau dieser Gehalt an Inhaltsstoff(en) wurde auch von der Auswertungseinrichtung 52 anhand des vom ersten Sensor 16 ermittelten Spektrums für dasselbe Material 14 ermittelt. Die Kalibrierdatenerzeugungseinrichtung 58 ist somit in der Lage, die von den beiden Sensoren 16 und 18 ermittelten Gehalte (oder andere damit im Zusammenhang stehende Größen, wie im Folgenden ausgeführt), zu vergleichen und darauf basierend der Auswertungseinrichtung 52 geeignete Kalibrierdaten zuzuführen, damit diese künftige Spektren mit höherer Genauigkeit in die besagten Gehalte umrechnen kann als es ohne den zweiten Sensor 18 möglich wäre-
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Eine erste mögliche Vorgehensweise hierzu ist in der 2 dargestellt. Nach dem Start im Schritt 100 wird im Schritt 102 eine Messung von Material 14 mit dem ersten Sensor 16 durchgeführt und im Schritt 18 wird dasselbe (oder zumindest näherungsweise dasselbe) Material 14, das vom ersten Sensor 16 untersucht wurde, dem Sensor 18 zugeführt und von diesem analysiert. Um zu erreichen, dass tatsächlich dasselbe Material 14 von beiden Sensoren 16, 18 analysiert wird, ist die Steuerung 50 entsprechend programmiert und mit der Auswertungseinrichtung 52 und der Kontroll- und Auswertungseinrichtung 46 verbunden. Beispielsweise kann ein bestimmte Kriterien (z.B. typischer Gehalt an einem Inhaltsstoff oder relativ großer oder kleiner oder über längere Zeit nicht mehr vom zweiten Sensor 18 detektierter Gehalt) erfüllender Ausgabewert 56 für einen Inhaltsstoffgehalt veranlassen, dass die Steuerung 50 eine Probennahme des zweiten Sensors 18 veranlasst.
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Die Messung im zweiten Sensor 18 kann sich über einen längeren Zeitraum erstrecken.
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Im Schritt 106 wird ein Kalibrierwert für den ersten Sensor 16 berechnet, wie in der 4 detaillierter dargestellt ist. Hierzu erhält die Kalibrierdatenerzeugungseinrichtung 58 von der Auswertungseinrichtung 52 den Gehalt an einem Inhaltsstoff, der auf einem im Speicher 54 (fest und dauerhaft) abgelegten Zusammenhang basiert. Zudem erhält sie den zugehörigen Gehalt von der Kontroll- und Auswertungseinrichtung 46 des zweiten Sensors 18. Anhand beider Inhaltsstoffgehalte kann die Kalibrierdateneinrichtung 58 eine (in dieser Ausführungsform letztlich als Kalibrierwert für den ersten Sensor 16 dienende) beliebige mathematische Relation zwischen dem vom ersten Sensor 16 gemessenen Inhaltstoffgehalt und dem vom zweiten Sensor 18 gemessenen Inhaltsstoffgehalt ermitteln. Im einfachsten Fall stellt diese mathematische Relation einen Korrekturfaktor oder eine lineare Abhängigkeit dar, obwohl auch beliebige, kompliziertere Relationen möglich sind, die in Form einer Formel, Tabelle o.ä. erstellt werden können.
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Diese im Schritt 106 ermittelte mathematische Relation wird im Schritt 108 (in der 5 detaillierter gezeigt) von der Auswertungseinrichtung 52 verwendet, um die anhand der Spektren und dem im Speicher 54 abgelegten Zusammenhang, der bei dieser Ausführungsform nicht verändert wird, ermittelten Gehalte an Inhaltsstoff(en) zu korrigieren.
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Auf den Schritt 108 folgt wieder der Schritt 102.
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Bei der Vorgehensweise nach 2 und der oben stehenden Beschreibung wird nach alledem so vorgegangen, dass der oder die an der ausgehenden Leitung 48 des zweiten Sensors 18 zur Verfügung stehende Inhaltsstoffgehalt(e) direkt zur Umrechnung des oder der vom ersten Sensor 16 und der Auswertungseinrichtung 52 anhand der im Speicher 54 abgelegten Zusammenhänge und der Spektren ermittelten Inhaltsstoffgehalte(s) dienen. Der Ausgabewert 56 kann somit in regelmäßigen Zeitabständen, die durch die Messzeit des zweiten Sensors 18 bedingt sind, nachkalibriert werden. In den dazwischen liegenden Zeiten stellt der erste Sensor 16 nacheinander die Ausgabewerte 56 bereit, wie oben beschrieben.
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Die
3 zeigt eine zweite mögliche Vorgehensweise, die sich durch die Schritte 206 und 208, welche die Schritte 106 und 108 der
2 ersetzen, von der Vorgehensweise nach
2 unterscheidet. Zudem erhält die Kalibrierdatenerzeugungseinrichtung 58 von der Auswertungseinrichtung 52 nicht den von dieser ermittelten Inhaltsstoffgehalt, sondern das dem untersuchten Material 14 zugehörige Spektrum oder darauf basierende Daten. Im Schritt 206 (vgl.
6) bestimmt die Kalibrierdatenerzeugungseinrichtung 58 die Zusammenhänge zwischen dem Spektrum und den Inhaltsstoffen, die als Kalibrierdaten dienen und in den Speicher 54 eingetragen und im nachfolgenden Schritt 208 (s.
7) verwendet werden, um die Spektren in die Inhaltsstoffgehalte umzurechnen und als Ausgabewerte 56 auszugeben. Zur Erstellung der Zusammenhänge sei nochmals auf die
DE 10 2020 000 904 A1 verwiesen, deren Offenbarung durch Verweis mit in die vorliegenden Unterlagen aufgenommen wird. Insbesondere besteht die Möglichkeit, die besagten Zusammenhänge in der Kalibrierdatenerzeugungseinrichtung 58 durch eine selbstlernende Algorithmik zu erzeugen, z.B. ein neuronales Netzwerk. Die Kalibrierdatenerzeugungseinrichtung 58 kann auch viele Proben über einen längeren Zeitraum akkumulieren und erst dann einen neuen Zusammenhang erstellen. Dieses Vorgehen kann in regelmäßigen Abständen oder bei Bedarf, z.B. bei Änderung von Eigenschaften des untersuchten Materials, wie Druck, Temperatur etc., wiederholt werden, wobei die älteren bzw. bei anderen Eigenschaften gemessenen Spektren und Inhaltsstoffe bzw. daraus ermittelten Zusammenhänge mit verminderter Wichtung in die neuen Zusammenhänge eingehen oder komplett verworfen werden.
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Auf diese Weise ergänzt oder ersetzt der zweite Sensor 18 die bisherige Ermittlung der besagten Zusammenhänge im Labor, was die eingangs geschilderten Nachteile vermeidet.
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Es sei noch angemerkt, dass der Ort der Auswertungseinrichtung 52 und/oder der Kalibrierdatenerzeugungseinrichtung 58 beliebig ist. Sie könnten beispielsweise in eine im Gehäuse 20 des ersten Sensors 16 eingefügte Elektronikeinheit integriert werden, oder sie befinden sich im Abstand von der Maschine 10 z.B. auf einem beabstandeten Server oder in der Cloud und sind mit den Sensoren drahtlos oder durch Leitungen verbunden. Auch können die im Schritt 106 oder 206 ermittelten Kalibrierdaten (mathematische Relation oder Zusammenhänge zwischen Spektren und Inhaltsstoffen) anderen Sensoren 68, die mit dem Sensor 16 baugleich sind, durch direkte oder indirekte (z.B. über einen Server oder die Cloud erfolgende) Datenübertragung zur Verfügung gestellt werden. Hierzu können die besagten Kalibrierdaten über eine Sende- und Empfangseinrichtung 60 der Maschine 10 drahtlos, z.B. unter Verwendung eines beliebigen Protokolls (z.B. WLAN oder GSM oder 5G), oder über einen Datenträger an einen Server 64 an einer beabstandeten Stelle 62 gesandt werden, von dem aus sie an eine weitere Maschine 66 mit einem dritte Sensor 68, der mit dem ersten Sensor 68 baugleich ist, drahtlos oder über einen tragbaren Datenträger übermittelt werden können. Dieser dritte Sensor 68 kann die Kalibrierdaten benutzen, um genauere Ausgangswerte zu erzielen.
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Zudem sind die in den Schritten 106 oder 206 ermittelten Kalibrierdaten, wie auch die im Speicher 54 abgelegten Zusammenhänge, von der Art des sensierten Materials 14 abhängig. Die Kalibrierdaten enthalten somit, insbesondere wenn sie von anderen Sensoren 68 verwendet werden sollen, eine Information hinsichtlich der Art des jeweils zugehörigen Materials 14. Zudem können sie weitere Informationen hinsichtlich des Materials 14 enthalten, beispielsweise betreffend dessen Drucks, Temperatur oder pH-Werts, wie in der
DE 10 2020 000 904 A1 offenbart. Anhand dieser Informationen und zugehöriger Daten von Sensoren zur Erfassung entsprechender Parameter des untersuchten Materials 14 kann der dritte Sensor 68 genauere Ausgangswerte liefern als ohne deren Berücksichtigung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- FR 2801380 A1 [0006]
- EP 1378742 A2 [0006]
- WO 2005/003728 A2 [0006, 0032]
- DE 10236515 C1 [0006, 0032]
- EP 0908087 A1 [0007, 0011]
- EP 3282246 A1 [0009, 0012]
- EP 1407654 A1 [0025]
- DE 19922867 C5 [0029]
- EP 3444577 A1 [0029]
- EP 00908087 A1 [0032]
- DE 102020000904 A1 [0034, 0042, 0045]
