Biomasse

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Bestimmung von Qualitätskriterien einer Biomasse.

Die automatisierte Lagerung, Trocknung und Verarbei¬ tung von Biomasse erfordert ein unproblematisches Meßsystem zur Bestimmung von Qualitätskriterien, wie Feuchtigkeit, Kon¬ zentration von verschiedenen Inhaltsstoffen und ablaufender mikrobiologischer Umwandlungen.

Mit den bekannten Analysemethoden sind nur lokale Messungen einzelner Parameter möglich, wobei diese Messungen eine aufwendige Manipulation des Meßgutes erfordern. Dabei ist auch die Aussagekraft dieser punktuellen Messungen für die Ge¬ samtheit der zu überprüfenden Biomasse oder Lösung, die gege¬ benenfalls inhomogen sind, nicht beonders hoch und hängt rela¬ tiv stark von der Wahl des Bereiches ab, auf den sich die Mes¬ sung bezieht. Die gleichen Probleme ergeben sich auch bei der Untersuchung biologischer Abläufe, wie z.B. Gärungsprozesse od. dgl .

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermei¬ den und eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art vorzu¬ schlagen, die es ermöglicht, den Durchschnittswert der Quali¬ tätskriterien der Gesamtheit der sich in einem Behälter oder einem begrenzten Raum befindlichen Biomasse auf einfache Weise zu ermitteln.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine Elektrodenanordnung, zwischen deren Elektroden die zu prüfende Biomasse angeordnet ist, vorgesehen ist, welche Elektroden an eine Signale mit einer variablen Fequenz liefernde Wechsel¬ spannungsquelle angeschlossen und mit einer Auswerteschaltung verbunden sind, die eine von einer auch die Wechselspannungs¬ quelle steuernde Ablaufsteuerung gesteuerte Bewertungsschal¬ tung aufweist, die den Meßwerten experimentell ermittelte Qualtitätskriterien entsprechende Werte zuordnet.

Die relevanten Qualitätskriterien von Biomasse, wie Feuchtigkeit, chemische Veränderung, Konzentration bestimmter Stoffe usw. beeinflussen die elektrische Leitfähigkeit der Biomasse in einem breiten Spektrum der Meßfrequenz. Diese sich mit der nderung der Qualtitätskriterien der Biomasse ändern¬ den elektrischen Eigenschaften derselben können mit der erfin¬ dungsgemäßen Einrichtung auf einfache Weise erfaßt und ausge-

wertet werden. Dabei ist es lediglich erforderlich durch Mes¬ sungen vorerst die entsprechenden Bewertungstabellen zu ermit¬ teln und in den Bewertungsschaltungen einzuschreiben. So ist es durch die vorgeschlagenen Maßnahmen möglich, die gesamte Biomasse mit Signalen mit einer sich ändernden Frequenz zu be¬ aufschlagen und die Beeinflussung dieser Signale durch die Biomasse zu erfassen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorge¬ sehen sein, daß die Auswerteschaltung Kreise für die Messung zweier verschiedener Parameter der von den Elektroden abge¬ griffenen Signale, z.B. den Betrag des Scheinwiderstandes und die Phasendrehung des Signals, aufweist, wobei vorzugsweise jedem Meßkreis eine Bewertungsschaltung nachgeschaltet ist, und diesen BewertungsSchaltungen Mittelwertbildner zugeordnet sind, die mit einem Anzeigekreis verbunden sind.

Durch diese Maßnahmen wird eine erhebliche Verbesse¬ rungen der Genauigkeit der Messung erreicht.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorge¬ sehen sein, daß jedem Meßkreis eine Bewertungsschaltung nach¬ geschaltet ist, und diesen BewertungsSchaltungen Mittelwert¬ bildner zugeordnet sind, die mit einem Anzeigekreis verbunden sind.

Durch diese Maßnahmen ist es möglich, Veränderungen in der zu untersuchenden Masse, die eine frequenzspezifische Verschiebung von Spitzenwerten des Ausgangssignales der Aus¬ werteschaltung bedingen, auf sehr einfache Weise zu erfassen. Dabei kann z.B. die frequenzbezogene Lage eines Spitzenwertes definierter Amplitude ermittelt und ein dazu proportionales AusgangsSignal erzeugt werden, wobei außerhalb einer festge¬ legten Zone liegende Werte z.B. mit 0 bewertet werden, wogegen die innerhalb des definierten Bereiches liegenden Werte linear von 0 bis 1 bewertet werden können. Das Ausgangssignal der Auswerteschaltung ist dann proportional der Fläche unter der Spitze des Meßsignales und proportional zur Frequenzlage. Da¬ bei wirkt der Mittelwertbildner als Integrator über der Fre¬ quenz.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorge¬ sehen sein, daß die Elektrodenanordnung durch eine im wesent¬ lichen Zylindermantelförmige Elektrode und eine innerhalb der¬ selben angeordnete Mittelelektrode gebildet ist.

Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, die ge¬ samte Biomasse mit den Signalen zu beaufschlagen und deren Veränderungen aufgrund der sich ändernden Qualtätskriterien der Biomasse zu erfassen und auszuwerten.

Dabei kann weiters vorgesehen sein, daß eine Elek¬ trode durch eine elektrisch leitende Beschichtung des Mantels eines Biomassebehälters gebildet ist, wodurch sich ein sehr einfacher Aufbau ergibt.

Weiters kann vorgesehen sein, daß eine Elektrode durch eine elektrisch leitende Beschichtung eines Biomassebe¬ hälters und die andere durch eine elektrisch leitende Be¬ schichtung im Bereich des Bodens oder der Decke des Biomasse¬ behälters gebildet ist.

Auch diese Lösung führt zu einer sehr einfachen Ge¬ staltung einer Einrichtung zur Überwachung von Qualitätskrite¬ rien von Biomasse.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorge¬ sehen sein, daß zumindest eine Elektrode in mehrere voneinan¬ der isolierte Abschnitte unterteilt ist, die über einen Multi- plexer und gegebenenfalls einen Pufferverstärker ansteuerbar sind.

Durch diese Maßnahmen ist es auch möglich, die Quali¬ tätskriterien der Biomasse bereichsweise zu erfassen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Biomasse in großen Behäl¬ tern gelagert ist, oder wenn Veränderungen in der Biomasse er¬ faßt werden sollen, die sich langsam durch die gesamte Masse hindurch entwickeln, z.B. im mittleren Bereich der Anhäufung der Biomasse beginnen und sich nach außen zu fortsetzen.

Weiters kann auch vorgesehen sein, daß eine aus min¬ destens einer Elektrode und wenigstens einer Gegenelektrode sowie Abschirmelektroden bestehende Elektrodenanordnung gege¬ benenfalls verschiebbar in einem eine Biomasse aufnehmenden Behälter angeordnet ist.

Durch diese Maßnahmen wird sichergestellt, daß das sich ausbildende Feld der Elektrode, von der das Meßsignal ab¬ genommen wird, durch die Schirmelektroden in eine bestimmte Form gebracht wird, wodurch Meßfehler durch eine unkontrol¬ lierte Veränderung des Feldes der Elektrode vermieden werden.

Bei einer verschiebbaren Anordnung der Elektrodenan¬ ordnung ist es möglich, eine größere Anhäufung von Biomasse,

oder eine in einem größeren Behälter befindliche Lösung ab¬ schnittweise auf deren Qualitätskriterien hin zu untersuchen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 bis 3 verschiedene Ausführungsformen von Elek¬ trodenanordnungen,

Fig. 4 bis 7 mehrteilige Elektrodenanordnungen, Fig. 8 ein Blockschaltbild der Ansteuerung der Elek¬ trodenanordnung,

Fig. 9 bis 11 Details verschiedener Baugruppen, Fig. 12a und 12b Diagramme von verschiedenen Zucker¬ lösungen,

Fig. 13a und 13b Diagramme von verschiedenen Konzen¬ trationen von Apfelessig,

Fig. 14a und 14b Diagramme, die den Verlauf der Gä¬ rung von Traubenmost, wobei die mit dem Index a versehenen Diagramme die Änderung der Signale in Bezug auf deren Ampli¬ tude und die mit dem Index b versehenen Diagramme die Änderung der Signale in Bezug auf deren Phasendrehung in Abhängigkeit von der Frequenz des Signales zeigen und

Fig. 15 eine graphische Darstellung eines Trocknungs¬ vorganges von Heu.

Bei der Ausführungsform nach der Fig. 1 sind zwei im wesentlichen zylindrische Elektroden 15, 16 vorgesehen, zwi¬ schen denen die Biomasse 17 eingebracht wird. Diese Elektro¬ den 15, 16 sind mit einer Ansteuerung verbunden. Diese Ausfüh¬ rungsform eignet sich besonders für die Überwachung von in ei¬ nem Silo gelagerter Biomasse, wobei die Wände des Silos mit einer elektrisch leitenden Beschichtung oder einer Folie ver¬ sehen oder belegt werden können, die die Elektrode 16 bildet.

Die Ausführungsform nach der Fig. 2 unterscheidet sich von jener nach der Fig. 1 dadurch, daß die beiden Elek¬ troden 15, 16 eine unregelmäßig gestaltete Querschnittsform aufweisen. Dabei können die Elektroden 15, 16 z.B. durch elek¬ trisch leitende Folien gebildet sein, von denen eine in eine Anhäufung der zu untersuchende Biomasse 17 eingesteckt ist und die andere diese umhüllt. So kann mit einer solchen Anordnung z.B. ein Bündel Heu oder Stroh, auf dessen Feuchtigkeitsgehalt hin überprüft werden.

Bei der Ausführungsform nach der Fig. 3 ist die Elek¬ trode 15 kuppeiförmig gestaltet, wobei die zweite Elektrode 16

im Zentrum des von der Elektrode 15 umschlossenen Raum auf dem Boden 21 angeordnet ist.

Bei der Ausführungsform nach der Fig. 4 ist eine einen Raum mantelartig umschließende Elektrode 22 vorgesehen, wobei die im Inneren dieses Raumes angeordnete Elektrode 23 in mehrere entlang der Achse des von der Elektrode 2 begrenzten Raumes angeordnete Teilelektroden 23a bis 23d unterteilt ist. Diese Teilelektroden 23a bis 23d sind an den Ausgängen eines Multiplexers 24 angeschlossen, der eingangsseitig mit der An¬ steuerung verbunden ist. Weiters ist noch ein Pufferverstär¬ ker 25 vorgesehen.

Zwischen den aktiven und den inaktiven Meßelektroden besteht eine Potentialdifferenz, wobei entlang dieser Potenti¬ aldifferenz Potentiallinien verlaufen, wodurch es zu Feldver¬ zerrungen im Randbereich der aktiven Meßanordnung kommt. Da¬ durch würde das Meßergebnis den Zustand des zu erfassenden Vo¬ lumens und zusätzlich auch noch Informationen aus nicht er¬ wünschten Meßbereichen enthalten. Durch den Pufferverstär¬ ker 25, dessen Verstärkungsfaktor möglichst eins sein soll, werden Feldverzerrungen im Randbereich der Meßelektrode ver¬ hindert. Dabei wird mit Hilfe des Pufferverstärkers 25 an die anderen, potentiellen aber nicht aktiven, anderen Meßbereichen zugeordneten Elektroden das Potential der aktiven Meßelektrode angelegt. Dabei wirken die inaktiven Meßelektroden als Ab¬ schirmung und verhindern Feldverzerrungen, wobei das Meßsignal der aktiven Anordnung nicht beeinflußt wird.

Eine ähnliche Elektrodenanordnung zeigt Fig. 5. Al¬ lerdings verlaufen dabei die Unterteilungen der Elektrode 23 in axialer Richtung, sodaß die sich zwischen den Elektro¬ den 22, 23 befindliche Biomasse sektorenweise im Hinblick auf bestimmte Qualitätskriterien hin überwacht werden kann, wobei sich die Sektoren über die gesamte Länge der Elektrodenanord¬ nung erstrecken.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Elektrodenanordnung, bei der eine zylindrische Elektrode 23 in axialer Richtung in drei Teilelektroden 23a, 23b und 23c unterteilt ist. Dabei können die einzelnen Teilelektroden 23a, 23b, 23c auch noch in Umfangsrichtung unterteilt sein, sodaß schichtenweise einzelne Sektoren untersucht werden können.

Fig. 7 zeigt eine ähnliche Anordnung wie die Fig. 6, wobei jedoch die Mittelektrode in Teilelektroden 23a, 23b, 23c

in axialer Richtung unterteilt ist, wobei die Teilelektroden 23b und 23c als Schirmelektroden geschaltet sind. Dabei sind neben der Elektrode 23a auch die Schirmelektroden 23b und 23c mit dem Pufferverstärker 25 verbunden. Dabei kann die gesamte Elektrodenanordnung 23a, 23b, 23c entlang des zentralen Füh¬ rungsstabes 27 verschoben werden.

Die Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Aus¬ werteschaltung.

Eine Ablaufsteuerung 1 ist mit einem Wechselspan¬ nungsgenerator 2 verbunden, der ein vorzugsweise sinusförmiges Signal mit variabler Frequenz liefert, wobei die Frequenz vor¬ zugsweise zwischen 10Hz und 10MHz schwankt, bzw. dieser Be¬ reich ständig durchlaufen wird. Mit diesem Wechselspannungsgenerator 2 ist eine Impedanzmeßeinrichtung 3 verbunden, an der die Elektrodenanordnung 22, 23, bzw. 15, 16 angeschlossen ist.

Die Impedanzmeßeinrichtung 3 weist zwei Meßkreise auf, von denen einer den Betrag des Scheinwiderstandes der zwischen den Elektroden 15, 16, bzw. 22, 23 befindlichen Bio¬ masse und der andere die durch diesen Scheinwiderstand be¬ dingte Phasendrehung erfaßt. An jeden der beiden Ausgänge der Impedanzmeßeinrichtung 3 sind Bewertungsschaltungen 5 _X , 5 _S , 5 ₃ angeschlossen, die weiters mit der Ablaufsteuerung 1 verbunden sind. Diese BewertungsSchaltungen setzen die Meßsignale in dem zu untersuchenden Qualitätskriterium entsprechende Signale um, wobei die Umsetzung nach empirisch ermittelten Werten, die mit Hilfe von herkömmlichen punktuellen Messungen ermittelt wur¬ den, erfolgt.

Mit dieser Anordnung ist es auf einfache Weise mög¬ lich, frequenzbezogene Fensterfunktionen zu realisieren. Wer¬ den z.B. die Daten innerhalb eines Spektrums mit 1 und außer¬ halb eines Meßbereiches mit 0 bewertet, dann werden aus dem Gesamtspektrum nur Daten aus einem gewählten Breich der weite¬ ren Verarbeitung zugeführt. Für die Anwendung der Einrichtung bedeutet dies, daß aus der gesamten zur Verfügung stehenden Information, wie sie z.B. in den Diagrammen der Fig. 12a, 12b, 13a, 13b, 14a und 14b enthalten ist, Einzelinformationen über z.B. Molekularstrukturen usw. abgeleitet werden können.

Den beiden Bewertungsschaltungen 5_. ist ein Mittel¬ wertbildner 6 nachgeschaltet, wogegen den Paaren von Bewer¬ tungsschaltungen 5- , 5 ₃ je ein Spitzenwertbildner 7, 8 nachge-

schaltet ist, wobei der Sp tzenwertbildner 7 für die Bildung des positiven und der Spitzenwertbildner 8 für die Bildung des negativen Spitzenwertes vorgesehen ist.

Wie aus den Fig. 12a, 12b, 13a, 13b, 14a zu ersehen ist, findet eine frequenzspezifische Verschiebung von Spitzen¬ werten statt. Soll frequenzbezogen die Lage eines Spitzenwer¬ tes definierter Amplitude ermittelt und ein dazu proportiona¬ les Ausgangssignal erzeugt werden, so werden die Signale außerhalb dieser Zone mit 0 bwertet. Innerhalb dieser Zone werden die Werte linear von 0 bis 1 bewertet. Das Ausgangssi¬ gnal der Auswerteschaltung ist dann proportional der Fläche unter der Spitze des Meßsignales und proportional zur Fre¬ quenzlage, wobei der Mittelwertbildner als Integrator über der Frequenz wirkt .

Die Ausgänge der Spitzenwertbildner 7, 8 und des Mit¬ telwertbildners 6 sind mit bewertenden Summierern 9a, 9b ver¬ bunden.

Damit wird eine Erweiterung der Beurteilung des Me߬ signales ermöglicht, wobei eine Information erhalten wird, die nur frequenzproportional ist. Bei Vorliegen einer solchen In¬ formation wird der Spitzenwert durch eine Fensterfunktion der zugehörigen Bewertungsschaltung mit -1 gewichtet und durch die Endsummierer 9a, 9b damit subtrahiert. Das Ausgangssignal ist dann nur mehr proportional zur Frequenzlage und unabhängig von der Amplitude.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung können Meßkur¬ ven nach verschiedenen, anwendungsspezifischen Kriterien un¬ tersucht werden. Dabei können z.B. Kurveneinbrüche mit Hilfe des negativen Spitzenwertbildners 8 bewertet und ausgefiltert werden.

Der Summierer 9b ist noch mit einem Komparator 12 verbunden, dessen zweiter Eingang mit einem Referenzwertge¬ ber 10 verbunden ist, der die Meßbereichsgrenzen festlegt, wo¬ bei der Komparator bei Meßbereichsüberschreitungen, die ein Hinweis auf Fehlmessungen sind, die Durchschaltung zu einer Anzeige 13b verhindert. Im Normalfall gelangt das Ausgangssi¬ gnal des Summierers 9b über den Komparator 12 zu einer End¬ stufe 11b und zur Anzeige 13b sowie zu einer Schnittstelle 14.

Das Ausgangssignal des Summierers 9a ist mit einer Endstufe 11a verbunden, die mit einer Anzeige 13a und dem In¬ terface 14 verbunden ist.

Die Fig. 9 zeigt ein Beispiel für einen Spitzenwert¬ bildner. Dieser besteht im wesentlichen aus einem Abtast- und Haltekreis 30. Diesem wird über einen von der Ablaufsteue¬ rung 1 gesteuerten Schalter 31 ein Signal zugeführt, wobei über das Oder-Glied 32 die Ablaufsteuerung auch für das Rück¬ setzen des Abtast- und Haltekreises 30 sorgt. Weiters ist noch ein Komparator 33 vorgesehen, wobei bei dem dargestellten po¬ sitiven Spitzenwertbildner im Fall, daß das ankommende Signal den gespeicherten Wert übersteigt, das Signal im Abtast- und Haltekreis 30 gespeichert wird. Beim negativen Spitzenwertbildner werden einfach die Anschlüsse des Kompara- tors 33 vertauscht.

Der Mittelwertbildner nach der Fig. 10 weist einen Operationsverstärker 40 auf, der über einen Kondenstor 41 rückgekoppelt ist und einen Integrator bildet. Dieser Konden¬ sator 41 ist über einen von der Ablaufsteuerung gesteuerten Schalter 42 zum Zweck der Rücksetzung des Integrators über¬ brückbar. Dabei gelangt das zu mittelnde Signal über eine von der Ablaufsteuerung gesteuerten Schalter 43 und einen Wider¬ stand 44 zum Operationsverstärker 40.

Die Fig. 11 zeigt eine Bewertungsschaltung. Diese be¬ steht im wesentlichen aus einem von der Ablaufsteuerung ge¬ steuerten EPROM 50 und einem Multiplizierer 51. In dem EPROM ist eine Bewertungstabelle eingeschrieben, die den einzelnen Meßwerten einen entsprechenden Wert des zu untersuchenden Qua¬ litätskriteriums zuordnet. Bei dem Multiplizierer 51 handelt es sich um einen multiplizierenden Digital-Analog-Wandler. Dieser bewirkt, daß die analoge AusgangsSpannung proportional zu einem ebenfalls analogen Referenzsignal, bzw. der EingangsSpannung multipliziert mit einer GewichtungsInforma¬ tion, bzw. einer Bewertungsinformation ist. Die Gewichtung kann z.B. entsprechend einem Digitalwert erfolgen, z.B. von 0 bis 1 in 4048 Schritten bei einer 12-bit Informationsstruktur.

Bei der vorgeschlagenen Einrichtung können die durch die Meßsignale, die von den Elektroden abgenommen werden, ge¬ lieferten Rohdaten in sehr flexibler Weise verarbeitet werden, wobei dies nach sehr verschiedenen Kriterien erfolgen kann. Dabei ist es lediglich erforderlich, daß eine Referenz-Kurve für die gegebene Applikation zunächst empirisch ermittelt wird, um als Grundlage für die Auswertung der Meßsignale zu dienen. Dabei kann es sich z.B. um den Verlauf der Trockung

von Futtermitteln, Qualitätsmerkmale einer Biomasse, Konzen¬ trationen bestimmter Lösungen usw. handeln. Diese Referenz- Kurven, z.B. der Phasenverlauf des Signales bei der Trocknung von Futtermitteln, werden dann entweder in einem RAM bzw. EPROM gespeichert und dienen als Vergleichswerte bei der Aus¬ wertung von aktuellen Meßkurven. Dabei ergibt sich der Vor¬ teil, daß die Einrichtung ohne Hardwaremodifikation den jewei¬ ligen Erfordernissen angepaßt werden kann.

Fig. 12a zeigt den Verlauf verschiedener Zuckerkon¬ zentration von Zuckerlösungen in Abhängigkeit der Amplitude von der Signalfrequenz.

Fig. 12b zeigt ebenso den Verlauf verschiedener Zuckerkonzentrationen von Zuckerlösungen jedoch in Ab¬ hängigkeit der Phasendrehung von der Frequenz des Signals, wo¬ bei ausgeprägte Maxima und Minima zu erkennen sind.

Die Spektren dieser frequenzspezifischen Spitzenwerte eignen sich in hervorragender Weise dazu sie auf einfache Art zu bewerten.

Fig. 13a und Fig. 13b zeigen Diagramme der Säurekon¬ zentration von Apfelessig in Abhängigkeit der Amplitude bzw. der Phasendrehung von der Frequenz des Signals.

Weiters zeigen die Diagramme der Fig. 14a und Fig. 14b die Beziehungen von Amplitude bzw. Phasendrehung und Si¬ gnalfrequenz eines gärenden Traubenmostes, aufgenommen zu ver¬ schiedenen Zeitpunkten.

Fig. 15 zeigt die graphische Darstellung der Be¬ ziehung zwischen Frequenz, Phasendrehung und Trocknungszeit eines mehrstündigen kontinuierlichen Trocknungsvorganges.

Dabei ist deutlich zu erkennen, daß über einen weiten Bereich der Frequenz die Phasendrehung mit zunehmender Trock¬ nungszeit deutliche Änderungen erfährt, sodaß sich eindeutige Aussagen über den Trocknungsgrad machen lassen.