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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung zumindest eines wachstumsrelevanten Parameters in Böden mit zumindest einer Sonde mit zumindest einer porösen, hydrophilen Messmatrix.
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Natürliche und künstliche Böden bilden die Grundlage für Bepflanzungen in landwirtschaftlichen Betrieben und im Bereich von Hobbygärtnern. Hierbei steigern optimal dosierte wachstumsrelevante Parameter, beispielsweise das Wasser- und Düngerangebot die Quantität und Qualität des Bewuchses bei nachhaltigem Umgang mit Wasser und Düngemitteln. Insbesondere vor dem Hintergrund des aufgrund des Klimawandels und der zunehmenden Weltbevölkerung ansteigenden Wasserbedarfs ist ein schonender Umgang mit Bewässerung von Böden bei gleichzeitig gesteigertem Ertrag vonnöten, so dass eine Ermittlung wachstumsrelevanter Parameter angezeigt ist.
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Aus der
DE 195 38 145 A1 ist ein optisches Verfahren zur Materialfeuchtebestimmung von Böden bekannt, die der Bewässerungssteuerung dient. Hierbei werden die von der Feuchte des Bodens sich ändernden Reflexionen und Farbänderungen des mittels einer Linse mit Infrarotstrahlung bestrahlten Bodens erfasst und ausgewertet. Eine Erfassung der für die von Pflanzen aufnehmbare Feuchte des Bodens, die sogenannte Bodensaugspannung kann dabei nicht ermittelt werden.
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Aus der
DE 10 2009 014 946 A1 ist ein sogenanntes Tensiometer zur Ermittlung der Bodensaugspannung bekannt. Das Tensiometer beinhaltet eine wasserdurchlässige Messmatrix zwischen einer Messzelle und der Bodenumgebung. Anhand der sich in der Messzelle abhängig von der Bodenfeuchte und der sich an der Messmatrix ausbildenden Kapillarkräfte des Wassers einstellenden Druckverhältnisse wird die Bodensaugspannung ermittelt. Ein Rückschluss auf im Boden vorhandene Düngersalze ist hierbei nicht möglich.
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Aus der
DE 20 2015 000 747 U1 ist eine Stickstoff-Düngersteuerung bekannt, bei der mittels Vakuum Bodenlösung aus dem Boden entzogen und der Gehalt an Stickstoff außerhalb des Bodens mittels UV-Spektrometrie ermittelt und abhängig von einem ermittelten Gehalt Düngemittel ausgebracht wird.
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Aus der
DE 100 47 937 C1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Bodensaugspannung bekannt, bei dem Laserlicht mittels eines auf einen begrenzten Lichtfleck einer Messmatrix emittiert und die Reflexionen dieses Lichtflecks erfasst werden, wobei aus sich abhängig von der Bodenfeuchte ändernde Messsignale mit der Bodensaugspannung korreliert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Ermittlung von wachstumsrelevanten Parametern in Böden. Insbesondere soll eine Verbesserung der Ermittlung der Bodensaugspannung und/oder eine Vorortermittlung von gelösten Salzen, insbesondere Düngesalzen vorgeschlagen werden.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Die von diesen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Gegenstände der Ansprüche 1 und 8 wieder.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung dient der Ermittlung und gegebenenfalls Steuerung zumindest eines wachstumsrelevanten Parameters in Böden. Dies bedeutet, dass die Vorrichtung beispielsweise aus empirisch und/oder anhand von Modellen ermittelten Zusammenhängen zwischen einem Aufnahmevermögen, Aufnahmeverhalten oder dergleichen und ermittelten Größen der Vorrichtung den Zustand eines Bodens und den Bedarf von in diesem angepflanztem Bewuchs erfasst und gegebenenfalls mittels entsprechender Dosierung einstellt. Die zumindest eine Sonde eignet sich für den landwirtschaftlichen Bereich ebenso wie für Kleingartenanlegen oder einzelne Topfpflanzen von Hobbygärtnern.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung kann mittels mehrerer über eine Bodenfläche erstreckter Sonden ein Netz von Messstützpunkten bilden. Die Ermittlung eines Gehalts an zumindest eines wachstumsrelevanten Parameters in einer repräsentierenden Bodenfläche erfolgt dabei mittels zumindest einer in den Boden eingeführten Sonde. Mehrere Sonden über eine größere Bodenfläche verteilt können ein Überwachungsnetz des zumindest einen wachstumsrelevanten Parameters bilden. Diese Sonden oder eine einzige Sonde können von einer Auswerteeinrichtung gemeinsam ausgewertet werden.
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Die zumindest eine Sonde ist geschlossen wie beispielsweise gekapselt ausgebildet und enthält zumindest eine poröse, hydrophile Messmatrix, die beispielsweise aus Keramik, gebranntem Ton, Glassintermaterial und/oder dergleichen hergestellt sein kann. Beispielsweise kann eine einzige plan oder gerundet ausgebildete Messmembran vorgesehen sein, die aus einem einzigen Material oder aus einer Materialmischung gebildet ist. Alternativ kann die Messmatrix mehrere, gegeneinander abgegrenzte Bereiche enthalten. Diese Bereiche können jeweils aus unterschiedlichen Materialien und/oder Materialmischungen gebildet sein.
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Die Art der Materialien ist dabei bevorzugt auf die Wechselwirkung mit dem entsprechenden wachstumsrelevanten Parameter abgestimmt. Beispielsweise können Materialien, beispielsweise Keramiken mit einer vorgegebenen Porengröße darauf ausgelegt sein, die an Pflanzenwurzeln wirksamen Kapillarkräfte und Aufnahmemechanismen möglichst genau abzubilden. Weiterhin können Materialien vorgesehen sein, welche durch ihre chemische Zusammensetzung unterschiedliche Wechselwirkungen für unterschiedliche gelöste Salze bereitstellen. Zur Vermeidung von Bewuchs der Oberfläche der zumindest einen Messmatrix können bewuchsmindernde Materialen und/oder Chemikalien in der Messmatrix enthalten sein.
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Die bevorzugt nach außen gekapselte Sonde weist zumindest eine zu einer Oberfläche der zumindest einen Messmatrix beabstandete Laserlichtquelle, beispielsweise zumindest eine Laserdiode auf. Diese strahlt Laserlicht auf die Oberfläche aus und bildet auf der zumindest einen Messmatrix einen Lichtfleck ab. Der eingestrahlte Lichtfleck wird durch unter anderem von dem zumindest einen wachstumsrelevanten Parameter abhängige Lichtabsorptions- und Lichtstreueffekte zu einem Lichtkreis erweitert. In der Sonde ist zumindest ein Lichtdetektor vorgesehen, welcher Reflexionen des Lichtkreises, beispielsweise punktuell erfasst und einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Gehalts des zumindest einen wachstumsrelevanten Parameters zuführt. Die Erfassung der Reflexionen erfolgt dabei in bevorzugter Weise nach dem LLBI-Prinzip (laser light backscattering imaging). Dies bedeutet, dass der zumindest eine Lichtdetektor die Reflexionen in lateraler Auflösung erfasst, wobei die laterale Auswertung der erfassten Reflexionen über die Detektorfläche des zumindest einen Lichtdetektors mittelnd oder ortsaufgelöst vorgesehen sein kann. Die Reflexionen können alternativ oder zusätzlich als Farbspektrum ausgelöst erfasst werden. Beispielsweise kann ein Lichtdetektor aus einem einzigen oder mehreren CCD-Chips beispielsweise in Form eine Miniaturkamera geschaltet sein. Die Miniaturkamera kann eine vorgeschaltete Optik aufweisen, die beispielsweise auf einen flächig begrenzten Bereich des Lichtkreises fokussiert. Auf diese Weise können beispielsweise einzelne Pixel des CCD-Chips orts- und/oder farbauflösend erfasst werden.
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Die Ausrichtung der zumindest einen Laserlichtquelle gegenüber der Oberfläche der zumindest einen Messmatrix erfolgt in bevorzugter Weise senkrecht oder davon um maximal ± 20° abweichend. Durch die Erfassung der Reflexionen ausschließlich im Lichtkreis unter Ausschluss des Lichtflecks können unspezifische Reflexionen vermieden werden.
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Unter wachstumsrelevanten Parametern sind beispielsweise die Bodensaugspannung, der Gehalt an gelösten, beispielsweise als Düngerkomponenten wirksamen Salze, beispielsweise Sulfate, Nitrate, Phosphate, Natriumsalze, Kaliumsalze und/oder Ammoniumsalze zu verstehen. Die Bodenspannung kann beispielsweise in einem Messbereich von -80 mbar bis - 100000 mbar, beispielsweise entsprechend einem permanenten Welkpunkt von Pflanzen von ca. pF 4,2 vorgesehen sein. Beispielsweise kann in einem Messbereich von -80 mbar bis 1000 mbar Bodensaugspannung eine Messgenauigkeit von ± 10%, außerhalb dieses Messbereichs eine Genauigkeit von ± 25% der erfassten Bodensaugspannung eingestellt sein. Eine Erfassung gelöster Salze kann abhängig von deren Querempfindlichkeit in Summe oder einzeln vorgesehen sein. Zur Trennung einzelner Gehalte mehrerer wachstumsrelevanter Parameter können beispielsweise unterschiedliche Frequenzen der Laserlichtstrahlung, unterschiedlich vom Lichtfleck entfernte Messflächen im Lichtkreis, unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Materialien und/oder beispielsweise lateral abwechselnde Bereiche mit wechselnder Materialzusammensetzung der Messmatrix, eine Auswertung unterschiedlicher lateraler Bereiche der Detektorfläche eines Lichtsensors und/oder dergleichen vorgesehen sein. Zur Ermittlung eines Blindwerts kann eine Erfassung von Reflexionen außerhalb des Lichtkreises vorgesehen sein.
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Beispielsweise kann in einer vorteilhaften Vorrichtung mittels des zumindest einen Lichtdetektors eine Erfassung von Reflexionen unterschiedlich weit von dem Lichtfleck entfernter Messbereiche des Lichtkreises vorgesehen sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung kann die zumindest eine Sonde eine elektronische Platine enthalten, auf welcher der zumindest eine Lichtdetektor und die zumindest eine Laserdiode gemeinsam untergebracht sind. Die Platine kann in bevorzugter Weise parallel zur Oberfläche der zumindest einen Messmatrix angeordnet sein. Die Platine kann Steuerungs-, Versorgungs- und/oder Auswerteschaltungen des zumindest einen Lichtdetektors und/oder der zumindest einen Laserdiode, Übertragungsschaltungen wie beispielsweise ein Modem oder dergleichen zur Übertragung von ermittelten Signalen auf eine Auswerteeinrichtung, Speicherelemente und dergleichen enthalten.
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Eine elektrische Versorgung wie Stromversorgung der zumindest einen Sonde kann bedrahtet von außen, beispielsweise von einer in einer Auswerteeinrichtung enthaltenen oder einer externen Stromversorgung vorgesehen sein. Alternativ kann eine Stromversorgung innerhalb der zumindest einen Sonde vorgesehen sein. Hierzu kann in der Sonde ein elektrischer Energiespeicher beispielsweise in Form einer Batterie oder eines Akkumulators vorgesehen sein. Der elektrische Energiespeicher kann in bevorzugter Weise an der der zumindest einen Messmatrix abgewandten Seite der Platine angeordnet sein. Die Kapazität des elektrischen Energiespeichers kann auf eine Betriebsdauer über eine Vegetationsperiode ausgelegt sein, sodass keine weitere Wartung der Sonde während einer Vegetationsperiode vorzusehen ist.
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Eine Übertragung von Signalen zwischen der zumindest einen Sonde und einer außenstehenden Auswerteeinrichtung kann bedrahtet oder telemetrisch, beispielsweise über Mobilfunk, Bluetooth, WLAN oder dergleichen vorgesehen sein. Hierbei können direkt erfasste Signale des zumindest einen Lichtdetektors oder vorverabeitete, beispielsweise für eine Funk- oder Drahtübertragung standardisierte Signale übertragen werden.
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Das vorgeschlagene Verfahren dient dem Betrieb der vorgeschlagenen Vorrichtung. Hierzu wird mittels zumindest einer Laserdiode ein Lichtfleck auf zumindest einer Messmatrix abgebildet. Die Reflexionen eines abhängig von zumindest einem wachstumsrelevanten Parameters gegenüber dem Lichtfleck erweiterten Lichtkreis werden von zumindest einem Lichtdetektor erfasst und in einer Auswerteeinrichtung mit einer Größe des zumindest einen wachstumsrelevanten Parameters korreliert. Die Korrelation erfolgt unter Anwendung anwendungsspezifischer Korrelationsfaktoren.
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Zur Ermittlung mehrerer wachstumsrelevanter Parameter können Reflexionen bezüglich ihrer lateralen Abbildung in dem zumindest einen Lichtdetektor erfasst und in der Auswerteeinrichtung daraus Abhängigkeiten der einzelnen wachstumsrelevanten Parameter selektiv beziehungsweise unter Berücksichtigung der gegenseitigen Querempfindlichkeiten ermittelt werden. Beispielsweise zur Erhöhung der Selektivität können mittels des Verfahrens Reflexionen bezüglich ihrer Ausbildung unterschiedlich ausgebildeter Bereiche der Messmatrix und/oder auf unterschiedlichen Radien des Lichtkreises mittels eines einzigen oder mehrerer Lichtdetektoren erfasst und in der Auswerteeinrichtung daraus Abhängigkeiten von unterschiedlichen wachstumsrelevanten Parametern ermittelt werden. Gegebenenfalls vorhandene Querempfindlichkeiten von Größen unterschiedlicher wachstumsrelevanter Parameter können ermittelt und korrigiert werden.
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Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens können als wachstumsrelevante Parameter die Bodensaugspannung, beispielsweise ein Summenparameter von in Wasser des Bodens gelösten Salzen, der Gehalt an gelösten Phosphaten, Sulfaten, Nitraten und/oder Chloriden, Natriumsalzen und/oder Kaliumsalzen ermittelt werden.
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Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine Sonde der vorgeschlagenen Vorrichtung im Schnitt in schematischer Darstellung,
- 2 ein Diagramm von Lichtintensitäten eines Lichtdetektors über dessen radiale Pixelverteilung bei unterschiedlichen Konzentrationen von Natriumdihydrogenphosohat,
- 3 ein Diagramm der Lichtintensität ausgewählter Pixel eines Lichtdetektors über die anliegende Konzentration von Natriumdihydrogenphosphat
und
- 4 ein Diagramm von Lichtintensitäten eines Lichtdetektors über dessen radiale Pixelverteilung bei unterschiedlichen Konzentrationen von Natriumchlorid,
- 5 ein Diagramm der Lichtintensität ausgewählter Pixel eines Lichtdetektors über die anliegende Konzentration von Natriumchlorid.
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Die 1 zeigt die nach außen gekapselte Sonde 1 von gegebenenfalls mehreren zu einem Netz miteinander oder mit einer Auswerteeinrichtung verbunden Sonden der vorgeschlagenen Vorrichtung in schematischer Schnittdarstellung. Die dargestellte Ausführung weist das Gehäuse 2 auf und ist mittels des Kabels 3 mit einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung zum Datenaustausch verbunden.
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Die Sonde 1 ist in den hier nur teilweise dargestellten Boden 5 eingebracht. Dies bedeutet, dass die Sonde 1 teilweise oder komplett in den Boden 5 versenkt angeordnet sein kann. In bevorzugter Weise ist die Sonde 1 mit ihrem sensitiven Teil in einer Tiefe des Wurzelwerks einer Bepflanzung angeordnet. Das Gehäuse 2 ist mit der porös, beispielsweise aus Keramikmaterial hergestellten Messmatrix 4 verbunden. Die Messmatrix 4 steht im Austausch mit dem Boden 5, so dass wachstumsrelevante Parameter wie beispielsweise die Bodenfeuchte, in dem die Bodenfeuchte bildenden Wasser gelöste Salze und dergleichen im Gleichgewicht mit der Messmatrix 4 stehen und diese abhängig von deren chemischen und physikalischen Eigenschaften durchdringen. Aufgrund der porösen Ausbildung der Messmatrix 4 wird dabei das Aufnahmevermögen von wachstumsrelevanten Parametern durch Pflanzen nachgebildet, beispielsweise durch den Bodensaugdruck abgebildetes Wasseraufnahmevermögen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Messmatrix aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten oder mehreren bezüglich ihrer Materialauswahl und/oder Porenweite unterschiedlichen Bereichen 6, 7 ausgebildet, die ein unterschiedliches Verhalten gegenüber der oder den wachstumsrelevanten Parametern aufweisen, so dass die Bereiche unterschiedlich stark benetzt werden.
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Die Untersuchung der abhängig von Gehalten der wachstumsrelevanten Parametern veränderten Oberflächen 8, 9 der Messmatrix 4 beziehungsweise deren Bereichen 6, 7 erfolgt optisch. Hierzu wird im Wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen 8, 9 der Messmatrix 4 mittels der Laserdiode 10 das Laserlicht 11 auf die Messmatrix 4 eingestrahlt. Dieses erzeugt den sich begrenzt ausbreitenden Lichtfleck 12, der wiederum durch Absorption und Lichtstreuung in der Messmatrix den um den Lichtfleck 12 angeordneten Lichtkreis 13 erzeugt. Der Lichtkreis 13 ist bezüglich seiner abgestrahlten Lichtintensität, der Streuwinkel, der Strahlungsfrequenz und dergleichen neben reinen Eigenschaften der Messmatrix 4 abhängig von dem Grad der Benetzung der Messmatrix 4 mit dem oder den wachstumsrelevanten Parametern.
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Die voneinander beabstandeten Lichtdetektoren 14, gegebenenfalls ein einziger Lichtdetektor erfassen die von der Messmatrix 4 beziehungsweise von den einzelnen Bereichen 6, 7 rückgestreute Reflexionen 15. Hierbei sind die Lichtdetektoren 14 mit einer Bilderfassung beispielsweise einem CCD-Chip mit vorgeschalteter Optik versehen, so dass von den Lichtdetektoren 14 jeweils lediglich kleine und unterschiedliche Messflächen der Messmatrix 4 innerhalb des Lichtkreises 13 und außerhalb des Lichtflecks 12 bildlich erfasst und ausgewertet werden. Dies bedeutet, dass eine laterale Auflösung der Messflächen durch Auswertung einzelner Pixel oder Pixelgruppen oder eine Mittelung der gesamten Messfläche mittels der Lichtdetektoren 14 möglich ist. Die unterschiedlichen Lichtdetektoren 14 können je nach Fokussierung auf denselben Bereich 6, 7 oder auf unterschiedliche Bereiche 6, 7 denselben oder unterschiedliche wachstumsrelevante Parameter erfassen.
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Die Laserdiode 10 und die Lichtdetektoren 14 sind auf der elektrischen Platine 16 aufgenommen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Platine 16 elektrisch von dem elektrischen Energiespeicher 17 versorgt. Die Platine 16 enthält die Steuerung und Versorgung der Laserdiode 10 und der Lichtdetektoren 14 sowie die Teil- oder Vollaufbereitung der mittels der von den Lichtdetektoren 14 erfassten Daten. Der Datentransfer der Rohdaten, teil- oder vollaufbereiteten Daten auf die Auswerteeinrichtung erfolgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mittels des Kabels 3, kann aber auch telemetrisch erfolgen. Desweiteren kann der elektrische Energiespeicher eingespart werden und die Stromversorgung über das Kabel 3 erfolgen.
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Die 2 zeigt unter Bezug auf 1 das Diagramm 18 mit der digitalen Lichtintensität I eines der Lichtdetektoren 14 über den radialen Pixelabstand pi von Pixeln ausgehend von einem Pixelmittelpunkt des Lichtdetektors 14 für unterschiedliche Konzentrationen c1, c2, c3, c4, c5 von gelöstem Natriumdihydrogenphosphat. Die Porosität der Messmatrix beträgt dabei im Mittel 100 Mikrometer. Bei einem radialen Pixelabstand von 18 und 275 Pixeln zeigen sich signifikante Unterschiede abhängig von der Konzentration von Natriumhydrogenphosphat, die in dem Diagramm 19 der 3 dargestellt ist.
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Das Diagramm 19 der 3 zeigt die digitale Lichtintensität I des Lichtdetektors 14 gegen die Konzentration c(NaH2PO4) von Natriumdihydrogenphosphat. Während beim radialen Pixelabstand pi = 18 die Kurve 20 über die Konzentration linear abfällt, steigt die Kurve 21 bei einem Pixelabstand pi = 275 linear über die Konzentration c(NaH2PO4) an.
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Entsprechend zeigt die 4 das Diagramm 22 mit der digitalen Lichtintensität I eines der Lichtdetektoren 14 über den radialen Pixelabstand pi von Pixeln ausgehend von einem Pixelmittelpunkt des Lichtdetektors 14 für unterschiedliche Konzentrationen c6, c7, c8, c9, c10 von gelöstem Natriumchlorid. Die Porosität der Messmatrix beträgt ebenfalls im Mittel 100 Mikrometer. Bei einem radialen Pixelabstand von 49 und 302 Pixeln zeigen sich signifikante Unterschiede abhängig von der Konzentration von Natriumchlorid, die in dem Diagramm 23 der 5 dargestellt ist.
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Das Diagramm 23 der 5 zeigt die digitale Lichtintensität I des Lichtdetektors 14 gegen die Konzentration c(NaCI) von Natriumchlorid. Beide Kurven 24, 25 bei einem radialen Pixelabstand pi = 49 und einem radialen Pixelabstand pi=302 steigen linear über die Konzentration c(NaCI) an.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sonde
- 2
- Gehäuse
- 3
- Kabel
- 4
- Messmatrix
- 5
- Boden
- 6
- Bereich
- 7
- Bereich
- 8
- Oberfläche
- 9
- Oberfläche
- 10
- Laserdiode
- 11
- Laserlicht
- 12
- Lichtfleck
- 13
- Lichtkreis
- 14
- Lichtdetektor
- 15
- Reflexion
- 16
- Platine
- 17
- elektrischer Energiespeicher
- 18
- Diagramm
- 19
- Diagramm
- 20
- Kurve
- 21
- Kurve
- 22
- Diagramm
- 23
- Diagramm
- 24
- Kurve
- 25
- Kurve
- c1
- Konzentration
- c2
- Konzentration
- c3
- Konzentration
- c4
- Konzentration
- c5
- Konzentration
- c6
- Konzentration
- c7
- Konzentration
- c8
- Konzentration
- c9
- Konzentration
- c10
- Konzentration
- c(NaCI)
- Konzentration Natriumchlorid
- c(NaH2PO4)
- Konzentration Natriumdihydrogenphosphat
- pi
- radialer Pixelabstand
