Projekt 08782/01

Förderschwerpunkt Bioabfallverwertung (3): Bestimmung der relativen und absoluten Feuchte in Kompostmieten mittels Lasertechnologie

Projektträger

LPKF Laser & Electronics AG
Osterriede 7
30827 Garbsen
Telefon: 05131/7095-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

n Ziel des Vorhabens ist die Bereitstellung eines lasergestützten Meßsystems zur kontinuierlichen und sofortigen Bestimmung der relativen und absoluten Feuchte (Wassergehalt) an verschiedenen Punkten der Kompostmiete und im geschlossenen klimatisierten Luftraum.
n Der innovative Kern des geplanten Vorhabens liegt in der Entwicklung und Erprobung eines neuartigen Lasermeßsystems für die Feuchtebestimmung innerhalb des Prozesses der Kompostierung biogener Stoffe.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenNotwendige Entwicklungen zur Umsetzung der Zielstellung:
n Robuste, geeignete Laserstrahlquellen Angepasste Sensorkonfiguration für die Messung in oder über der Kompostmiete (Messgeber)
n Multiplex - Umschalteinheit für Lichtleitfaserbündel (in Verbindung mit Einspeisung und optische Problemstellungen)n Rechnerankopplung / Steuerung der Gesamtanlagen Software zur Messwertaufnahme und Verarbeitung
n Realisierung eines Regelkreises zur Feuchte - Nachführung
1. Weitere theoretische und praktische Untersuchungen zu den Transmissions- und Absorptionsmechanismen bei der Durchstrahlung von feuchter Luft (in hoher Temperatur, druckabhängig) mittels elektromagnetischer Strahlung.
Ziel: Definition konkret nutzbarer Absorptionsmaxima für die Auswertung durchgeführter Messungen sowie Auswahl eines geeigneten Lasersystems.
2. Entwicklung geeigneter PC-gestützter Auswerteelektronik (umfangreiche Hard- und Softwareentwicklung).
Ziel: Die mittels Laserstrahlung über Detektoren erhaltenen Werte müssen mit physikalischen Größen und Formeln verrechnet werden, um die relative und absolute Feuchte bezogen auf ein Volumenelement Kompost explizit zu erhalten.
3. Aufbau einer ersten lasergestützten Prototypenmess-Strecke mit integrierter Auswerteelektronik.
Ziel: Sammeln von Erfahrungen und Optimierung des Gesamtsystems; Fehlerkorrektur und Beseitigung.
4. Aufbau und Test einer Multiplex-Lichtleitfaserübertragungsanlage.
Ziel: Verknüpfung beliebig vieler Messpunkte innerhalb einer oder mehrerer Mieten, die zeitlich kurz nacheinander abgetastet werden und ihre Messwerte an den PC weitergeben. Damit kann ein schneller Regelkreislauf aufgebaut werden, der es ermöglicht, den Prozess der Kompostierung optimal und schnell ablaufen zu lassen. Erstellung von Feuchteprofilen in Mieten.
5. Entwicklung einer praxisgerechten Konstruktion (Prototyp). Gewinnung eines oder mehrerer Projektpartners zur Einführung der Technologie in die Praxis.
Ziel: Beginn der Verkaufsaktivitäten.
6. Umfangreiche Werbeaktionen und Kundengespräche / Internationales Marketing.
Ziel: Bekanntmachung des Produktes auf dem Markt mit dem Ziel des Verkaufes von entsprechenden Meßsystemen.


Ergebnisse und Diskussion

Vorteile:
n Sehr schnelle Messungen möglich - Die gewünschten Messwerte liegen unmittelbar vorn Messungen sind zeitlich kurz nacheinander an verschiedenen Punkten der Kompostmiete durchführbar (ohne Umsetzung entsprechender Sensoren)
n Alle Messsensoren werden von einem Lasersystem zeitlich nacheinander versorgt und liefern ihre Daten an einen Computern Computergestützte Regelprozesse zur Bestimmung und Führung des aktuellen Feuchtegehaltes möglich (Aufnahme eines Feuchteprofils über der gesamten Kompostmiete)
n Wirtschaftliches Verfahrenn Robuste Systemtechnik (Trennung von Laserquelle und Messsensoren durch Übertragung der La-serstrahlung mittels Lichtleitfasern möglich)
n Hochpräzises und genaues Messverfahren durch den Einsatz von spezieller Laserstrahlung

Gemäß dem Arbeitsschritt 1 wurden innerhalb der ersten Projektphase die theoretischen Grundlagen der Bereiche Laserphysik, Psychrometrie, Thermodynamik und Biologie erarbeitet. Auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurde ein verfahrenstechnisches Konzept erarbeitet, welches es ermöglichen soll den Feuchtegehalt des Kompostes zu bestimmen.

Die Umsetzung des Entwurfes führte zur Erstellung einer Prototypenmessstrecke. Dieser Aufbau, dessen Elektronik in wesentlichen Teilen dem zukünftigen Meßsystem entsprechen wird, diente zum Nachweis der praktischen Funktionsfähigkeit des Systems.

Durch diesen erfolgreichen Abschluss der ersten Phase des Projektes konnte mit der Realisierung weiterer Schritte gemäß dem Arbeitsprogramm begonnen werden. So ist zur Zeit die Realisierung der Faserankopplung des Lasers und des Sensors alle Aufmerksamkeit gewidmet. Mit einem so mobil aufgebauten Gerät können dann erste Kallibrierungsmessungen vorgenommen werden. Anhand der gewonnenen Ergebnisse und praktischen Erfahrungen kann dann eine abschließende Optimierung des Systems vorgenommen werden. Alle praktischen Phasen der Projektrealisierung sind stets mit einer Anpassung und Optimierung der eingesetzten Elektronik gekoppelt.


Fazit

Die innerhalb der Projektlaufzeit erarbeiteten Ergebnisse dokumentieren einen äußerst innovativen Stand des Einsatzes von Lasertechnik im Rahmen eines Feuchtemessverfahrens.
Die Neuartigkeit der technischen Lösung ist insbesondere darin zu sehen, dass mit der Vorstellung dieses lasergestützten Messprozesses und im Hinblick auf seine Anwendung in Kompostmieten eine Technologie zur Verfügung steht, die es ermöglicht, den Rotteprozess in Kompostmieten so zu optimieren, dass eine zeitliche Verkürzung des Prozesses erreicht wird.
Innerhalb dieses mehr als 3-jährigen Forschungsverbundvorhabens sind die Grundlagen des Lasermessprozesses und alle im Zusammenhang mit diesem neuartigen Verfahren stehenden Hard- und Softwarekomponenten erarbeitet und in Form einer Prototypenanlage realisiert worden.
Es wurden von den Grundlagen der Kompostierung ausgehend messtechnische Erfordernisse für die Messung der Feuchte im Kompost erarbeitet. Dabei mussten verschiedene Randbedingungen während des Prozesses der Kompostierung beachtet werden, um eine korrekte Messung durchführen zu können. Mit den Kenntnissen des Kompostierungsprozesses wurde eine intensive Diskussion zur Messmethodik geführt. Die ausgewählte Technologie, indirekte Messung über ein abgewandeltes Verfahren der Ausgleichsfeuchte, wurde intensiv mit Vorteilen und Nachteilen im Zusammenhang mit den Randbedingungen im Kompostierungsprozess betrachtet. Entsprechend den Ergebnissen wurde dann ein Aufbau konzipiert. Im Zusammenhang mit dem realisierten Laboraufbau und auch später bei der technischen Realisierung der Lanze ergaben sich Probleme im Bereich der Beschaffung der Komponenten und der Umsetzung im technischen Maßstab. Hierdurch mussten viele Versuchreihen zusätzlich durchgeführt werden, die erheblichen zeitlichen Aufwand bedeuteten.
Durch einen Laboraufbau konnten die theoretischen Grundlagen bestätigt werden. Im Rahmen der praktischen Erprobung des Versuchsaufbaus wurde die prinzipielle Machbarkeit nachgewiesen und unter Rottebedingungen erprobt. Einige spezifische Randbedingungen (z. B. hohe Temperaturen innerhalb der Rotte) verursachten Probleme, die dazu führten, dass eine individuelle, erprobter Laser-Mess-Anlage zum Ende des Projektes nicht in Vollkommenheit zur Verfügung stand.
So ist am Ende der Projektlaufzeit zu resümieren, dass ein Konzept für eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Feuchte in Kompost erarbeitet und seine prinzipielle Nutzbarkeit nachgewiesen wurde. Es wird angestrebt, weitergehende Arbeiten durch interessierte Anwender durchführen zu lassen.