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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entnahme-, Aufbereitungs- und Messvorrichtung für Bodenproben zur Bestimmung von physikalischen Parametern der Bodenprobe sowie ein Verfahren zur Durchführung der Entnahme, der Aufbereitung und der Messung der Bodenproben.
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Die natürliche Ressource Boden besitzt die Fähigkeit, Nährstoffe und Wasser bereitzustellen und bildet somit die natürliche Grundlage für das Pflanzenwachstum. Jeder Boden besteht aus verschiedenen Bestandteilen mit unterschiedlichen physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften. Im Ergebnis sind die Bodeneigenschaften sehr heterogen. Die Bestimmung der pflanzenrelevanten Bodeneigenschaften ist für den Ackerbau von hoher Bedeutung. Um die Heterogenität innerhalb der Ackerfläche zu erfassen ist eine hohe Auflösung (für wissenschaftliche Untersuchungen von ≥ 1 Messpunkt/m2) erforderlich. Auf dieser Datenbasis lassen sich hochaufgelöste, digitale Karten der Bodeneigenschaften erstellen. Diese werden u.a. genutzt, um ortspezifisch eine dem Standort angepasste Saatgutsorte und deren optimale Aussaatmenge zu ermitteln oder um die Düngergabe bedarfsgerecht zu bestimmen.
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Heute verfügbare Sensoren sind für eine Messung direkt im Bodenmaterial meist nicht geeignet. Die relevanten (chemischen) Bodenparameter können überwiegend nur in einer Suspension bestehend aus Bodenprobe und Wasser gemessen werden. Zur exakten Bodenanalyse heutzutage Bodenproben entnommen und zur Erfassung der Bodeneigenschaften an ein Labor übergeben. Einzelne Parameter wie z.B. pH-Wert können auch direkt im Boden gemessen werden. Dafür ist aber eine Messung mit einem robusten Sensor z.B. basierend auf Antimonelektroden notwendig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet um eine Probenentnahme und Probenaufbereitung zu gewährleisten und somit eine Vorortmessung relevanter Bodenparameter ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch eine Entnahme-, Aufbereitungs- und Messvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Unteransprüche gekennzeichnet.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Entnahme-, Aufbereitungs- und Messvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahren sind in den abhängigen Unteransprüche gekennzeichnet.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Entnahme-, Aufbereitungs- und Messvorrichtung für Bodenproben, bestehend aus einem im Wesentlichen zylindrischen Mantel, mindestens einer Grundplatte, welche im unteren Bereich des zylindrischen Mantels anordnenbar ist, wobei die Grundplatte und der zylindrische Mantel voneinander lösbar ausgestaltet sind und einer im unteren Innenbereich des zylindrischen Mantels drehbar angeordneten Förderschnecke, wobei die Drehachse der Förderschnecke entlang der Mittelachse des Mantels angeordnet ist.
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Besonders bevorzugt ist eine Entnahme-, Aufbereitungs- und Messvorrichtung, wobei an der Förderschnecke ein Antrieb vorgesehen ist, welcher die Förderschnecke im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt. Dies ist vorteilhaft, weil dadurch Probenmaterial in den Behälter eingefügt und ausgeführt und auch ein Rühreffekt erzielt werden kann.
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Besonders bevorzugt ist erfindungsgemäß ferner eine Entnahme-, Aufbereitungs- und Messvorrichtung, bei der weiterhin eine Positionierungsvorrichtung vorgesehen ist, welche den zylindrischen Mantel von der Grundplatte löst oder auf die Grundplatte aufsetzt. Durch die Trennung von Bodenplatte und zylindrischen Mantel ist es möglich die Vorrichtung einfach zu reinigen, um weitere fehlerfreie Messungen durchzuführen.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass die Positionierungsvorrichtung Mittel aufweist, um den zylindrischen Mantel von einer ersten Grundplatte zu lösen und gegebenenfalls auf einer zweiten Grundplatte aufzusetzen oder oberhalb dieser anzuordnen.
Ganz besonders bevorzugt ist es dabei, dass die Positionierungsvorrichtung eine Schwenkvorrichtung zum horizontalen Versetzen oder eine Hebevorrichtung zum vertikalen Versetzen des zylindrischen Mantels ist. Dadurch ist es möglich, die Vorrichtung zu den jeweiligen Arbeitsplätzen zu befördern, um entweder die Proben aufzunehmen, aufzubereiten, zu messen oder die Vorrichtung zu reinigen. Es ist vorteilhaft, wenn diese Arbeitsschritte an verschiedenen Orten durchgeführt werden, weil dadurch eine Probenkontamination vermieden wird. Dies führt zu exakteren Messergebnissen.
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Besonders bevorzugt ist auch eine Entnahme-, Aufbereitungs- und Messvorrichtung, wobei im Inneren des zylindrischen Mantels mindestens ein Sensor und/oder mindestens eine Zuführung für Fluide oder Feststoffe angeordnet ist.
Ganz besonders bevorzugt ist dabei, dass die Sensoren ausgewählt sind aus Sensoren zur Messung von Temperatur, Leitfähigkeit und/oder Ionenkonzentrationen. Besonders bevorzugt ist dabei die Messung des pH-Werts, der Ionenkonzentrationen von Nitrat NO2 +, Kalium K+, Calcium Ca2+, Ammonium NH4 + oder anderen pflanzenphysiologisch wichtigen Ionen.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass die Zuführung für Fluide oder Feststoffe Leitungen, Dosiereinrichtungen, Pumpen und/oder Düsen aufweist. Damit wird es ermöglicht eine große Auswahl an unterschiedlichen Fluiden, Reagenzlösungen oder Reinigungslösungen in der erfindungsgemäße Vorrichtung einzuleiten und auch wieder aus dieser Vorrichtung herauszuspülen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Messung von physikalischen und/oder chemischen Parametern in Bodenproben, wobei man die folgenden Schritte ausführt:
- a) Bereitstellung einer Entnahme-, Aufbereitungs- und Messvorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 8 und einer zu untersuchenden Bodenprobe als Haufwerk;
- b) Aufsetzen des zylindrischen Mantels auf die Bodenprobe;
- c) Füllen der Förderschnecke mit Teilen der Bodenprobe;
- d) Lösen des zylindrischen Körpers von der Bodenprobe und Aufsetzen des zylindrischen Körpers auf eine Grundplatte zum Abdichten der unteren Öffnung des zylindrischen Mantels;
- e) Einbringen eines Fluids in den zylindrischen Mantel und mischen der Bodenprobe mit dem Fluid unter Verwendung der Förderschnecke;
- f) Ermittlung von physikalischen und/oder chemischen Parametern mittels der im zylindrischen Mantel angeordneten Sensoren;
- g) Lösen des zylindrischen Mantels von der Grundplatte und Reinigen des zylindrischen Mantels durch Einbringen eines Reinigungsfluids;
- h) Reinigen der Grundplatte mittels eines Reinigungsfluids;
- i) Wiederholen der Schritte b) bis h) unter Verwendung weiterer Bodenproben.
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Besonders bevorzugt ist dabei ein Verfahren, wobei man die Schritte e) und f) und/oder g) und h) jeweils gleichzeitig ausführt. Dadurch kann die Messzeit verkürzt werden.
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Die vorliegende Erfindung wird mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Entnahme-, Aufbereitungs- und Messvorrichtung;
- 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Entnahme-, Aufbereitungs- und Messvorrichtung; und
- 3a bis 3h Längsschnittdarstellungen von Verfahrensschritten zur Durchführung eines Verfahrens zur Messung von Parametern in Bodenproben mittels einer in 2 gezeigten Entnahme-, Aufbereitungs- und Messvorrichtung.
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Die hier vorgestellte Erfindung soll die Bestimmung der Bodeneigenschaften von großen Flächen mit einer hohen Auflösung von ≥ 1 Messpunkt/m2, während der Fahrt ermöglichen.
Dazu sind folgende Prozessschritte notwendig:
- a. Kontinuierliche Entnahme von Bodenproben aus der Fläche (nicht Teil der Erfindung)
- b. Entnahme von Bodenproben aus einem Gutstrom und Aufnahme in einen Probenmessbehälter
- c. Herstellung einer Suspension aus Bodenprobe und Fluid (z.B. Wasser) im Probenmessbehälter
- d. Durchführung einer Messung von Bodenparametern im Probenmessbehälter
- e. Entleerung und Säuberung des Probenmessbehälters
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher derart ausgelegt, dass diese mit einem sehr geringen technischen und mechanischen Aufwand die Probleme der Probenentnahme aus einem Gutstrom und der Probenaufbereitung löst. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist der Einsatz einer Schneckenförderung in Kombination mit einer Positioniereinheit.
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Im ersten Schritt wird mit Hilfe der Positioniereinheit der Probenmessbehälter mit eingeschalteter Schnecke in das zu untersuchende Material eingetaucht. Durch die kontinuierliche Drehbewegung der Förderschnecke wird Material in den Probenmessbehälter gefördert. Sobald die benötigte Probenmenge in den Probenmessbehälter gefördert wurde, wird die Schnecke gestoppt. Dieses wird durch einen Sensor angezeigt. Die benötigte Menge ist genau einstellbar.
In Schritt zwei wird durch die Positioniereinheit der Probenmessbehälter in die Mischposition überführt. In der Mischposition wird durch das Aufsetzten des Probenmessbehälter auf einer Dichtungsunterlage eine Flüssigkeitsabdichtung hergestellt.
In Schritt drei erfolgt die Probenaufbereitung zur Herstellung einer Suspension. Dazu erfolgt über eine Dosiereinrichtung die Zugabe einer festgelegten Menge des benötigten Fluids (z.B. Wasser) in den Probenmessbehälter. Zur Mischung von Probenmaterial und Fluid, wird die Schnecke erneut in Bewegung gesetzt, um eine homogene Suspension (wässrige Lösung) herzustellen.
In Schritt vier, wird die Messeinrichtung im Probenmessbehälter aktiviert.
In Schritt fünf wird durch die Positioniereinheit die Reinigungsposition des Probenmessbehälters angefahren.
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In Schritt sechs erfolgt die Entleerung und Reinigung des Probenmessbehälter, der Schnecke und der Sensoren. Zur Entleerung des Probenmessbehälters wird die Schnecke in umgekehrter Drehrichtung betrieben. Die Lösung wird somit nach unten ausgegeben. Zur Reinigung wird gleichzeitig mit speziellen Reinigungsdüsen das Reinigungsfluid (z.B. Wasser) in den Probenmessbehälter und auf die Messköpfe gesprüht. Durch die Reinigungsdüsen werden Materialreste der aktuellen Probe aus dem Probenmessbehälter gespült, sodass in dem gereinigten Probenmessbehälter erneut eine unverfälschte Reagenzlösung oder Suspension hergestellt werden kann. Die Reinigungsdüsen säubern auch die Sensorköpfe der Messeinrichtung.
Der Arbeitszyklus beginnt anschließend erneut mit Schritt 1.
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Entnahme-, Aufbereitungs- und Messvorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Probenbehälter 2, welcher aus einem im Wesentlichen zylindrischen Mantel gebildet ist. Der Probenbehälter 2 kann aus jedem geeigneten Material gefertigt sein, welches beständig gegen die zu verwendenden Reagenzlösungen sowie die Reinigungsfluide ist. Bevorzugt wird der Probenbehälter 2 aus Metallen wie Edelstahl oder Aluminium oder aus Kunststoffen wie Duroplasten, PVC, PE und dergleichen hergestellt. Im unteren Bereich der Probenbehälters 2 ist eine Förderschnecke 3 angeordnet, welche eine Welle 4 aufweist. Die Welle 4 wird in einem Wellenlager 5 geführt, wobei das Wellenlager an einer Haltevorrichtung 7 befestigt ist. Die Haltevorrichtung 7 ist im oberen Bereich des Probenbehälters 2 angeordnet und dient weiterhin zum Befestigen weiterer Komponenten der Vorrichtung 1, wie Sensoren 30 und Dosiervorrichtungen 12, 22. Die Förderschnecke 3 wird über die Welle 4 von einem Motor 6 angetrieben. Dabei ist es vorgesehen, dass die Bewegung der Förderschnecke 3 mittels des Motors 6 sowohl im Uhrzeigersinn als auch entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgen kann. Dies bewirkt, dass mittels der Förderschnecke 3 Probenmaterial in den Probenbehälter 2 ein- und auch ausgetragen werden kann. Zum Ein- und Austragen des Probenmaterials ist eine sehr langsame und erschütterungsarme Bewegung der Förderschnecke 3 notwendig, damit durch präzises Eintragen definierte Probemengen untersucht werden können. Ferner muss der Motor 6 die Förderschnecke 3 aber auch mit höherer Geschwindigkeit bewegen können, um so eine gute Durchmischung der Probe mit den Fluiden oder Reinigungsfluiden zu ermöglichen. Auch sorgt eine intensive Aufwirbelung des Probenmaterials der Ausbildung einer möglichst stabilen Suspension. Weiterhin sind Dosiervorrichtungen 12, 22 vorgesehen welche ebenfalls durch die Haltevorrichtung 7 an dem Probenbehälter 2 befestigt sind. Die Dosiervorrichtungen 12, 22 dienen zum Einbringen von Fluiden in das Innere des Probenbehälters 2. Derartige Fluide sind einerseits Reagenzlösungen, welche zur Bestimmung von chemischen oder physikalischen Parametern in den Bodenproben benötigt werden. Andererseits können die Fluide auch Spülflüssigkeiten sein, um den Probenmessbehälter 1 zu reinigen und für die nächste Messung bereitzustellen. Wie in der 1 dargestellt, umfasst die Dosiervorrichtung 12 neben einer Pumpe P eine Leitung 11 sowie eine Düse 10, welche am Ende der Leitung im Inneren des Probenbehälters 2 angeordnet ist. Die Düse 10 ist derart ausgelegt und ausgerichtet, dass der gesamte Innenraum des Probenbehälters 2, einschließlich der Sensoren 30, durch Einspritzen eines Reinigungsfluids gesäubert werden kann. Die zweite Dosiervorrichtung 22 ist für das Einbringen der Reagenzlösung (Wasser oder andere Fluide) in das Innere des Probenbehälters 2 vorgesehen. Ein Vorratsbehälter oder eine Pumpe D ist vorgesehen, um das entsprechende zu dosierende Fluid in den Probenbehälter 2 einzubringen. Auch die Dosiervorrichtung 22 weist neben einer Leitung 21 gegebenenfalls auch eine Düse 20 auf. Es ist natürlich auch möglich, den erfindungsgemäßen Probenmessbehälter 1 mit nur einer Dosiervorrichtung 12 zu versehen. In diesem Falle können verschiedene Vorratsbehälter für unterschiedliche Fluide an der Leitung 10 vorgesehen sein (nicht dargestellt).
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Probenmessbehälters 1. Am Mantel des Probenbehälters 2 sind Schwenkarme 40 befestigt, welche an einer weiteren Befestigung 41 angelenkt und mittels eines Motors 42 bewegbar sind. Mittels dieser Schwenkvorrichtung, welche eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung darstellt, kann der Probenbehälter auf eine Grundplatte 45 aufgesetzt und von dieser wieder wegbewegt werden. Die Grundplatte 45 ist derart ausgestaltet, dass sie den Probenbehälter 2 aufnehmen kann und diesen im wesentlichen fluiddicht gestaltet. Mittels der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung kann der Probenbehälter 2 zu verschiedenen Orten bewegt werden. An den jeweiligen Orten, an denen sich der Probenbehälter 2 befindet, können dann unterschiedliche Arbeitsschritte durchgeführt werden. Neben der hierin beschriebenen Ausführungsform einer Positionierungsvorrichtung in Form von Schwenkarmen 40 sind auch andere Positionierungsvorrichtungen denkbar und vorgesehen. Eine weitere Positionierung kann durch eine ausschließlich vertikale Bewegung des Probenbehälters 2 erfolgen. In diesem Falle wird dann die Grundplatte 45 bzw. ein andere Grundplatte unter dem Probenbehälter 2 angeordnet und dieser dann auf dieser Grundplatte angeordnet. Eine weitere Positionierungsvorrichtung kann auch in Form eines Roboterarmes vorgesehen sein. Selbstverständlich kann die Positionierung des Probenbehälters auf den entsprechenden Grundplatten 45, 55 auch manuell durchgeführt werden. In der 2 ist weiterhin eine Leitung 46 dargestellt, welche zur Reinigung der Grundplatte 45 vorgesehen ist, in dem durch diese Leitung 46 ein geeignetes Reinigungsfluid, vorzugsweise mittels einer Düse, auf die Grundplatte 45 aufgesprüht wird.
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3 mit den 3a bis 3h zeigt die einzelnen Schritte zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind ein Teil der Bezugszeichen des Probenmessbehälters 1 in den 3 nicht dargestellt und beziehen sich daher im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung auf die 1 und 2.
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Die 3a zeigt den erfindungsgemäßen Probenmessbehälter 1 gemäß den 1 und 2 wie dieser mittels der Positionierungsvorrichtung in einer Startposition gehalten wird. Dargestellt sind ferner die Grundplatten 45, 55. Die Grundplatte 45 dient zum Abdichten des Probenbehälters 2 nachdem dieser auf der Grundplatte 45 aufgesetzt wurde. Zusätzlich dargestellt ist die Leitung 46 zum Reinigen der Grundplatte 45. Die Grundplatte 55 trägt eine Bodenprobe 50 in Form eines Haufwerks. Die entsprechende Bodenprobe 50 kann in bekannter Weise bereitgestellt werden.
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In der 3b ist nun der Probenmessbehälter 1 mittels der Positionierungsvorrichtung auf die Bodenprobe 50 aufgesetzt worden. Durch Drehung der in dem Probenbehälter 2 angeordneten Förderschnecke 3 (siehe 1) wird nun ein Teil der Bodenprobe 50 in den Schneckengang der Förderschnecke 3 eingetragen. Die Menge bzw. das Volumen der eingetragenen Probenmenge aus der Bodenprobe 50 kann durch den Drehwinkel der Förderschnecke 3 vorgegeben werden. Damit ist es möglich stets die gleiche Probenmenge für die unterschiedlichen Bodenproben 50 zu entnehmen.
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In der 3c wird nun der Probenmessbehälter 1 mittels der Positionierungsvorrichtung, zusammen mit der entnommenen Bodenprobe 50, welche sich nunmehr innerhalb der Förderschnecke 3 befindet, von der Grundplatte 55 abgehoben und in Richtung auf die Grundplatte 45 bewegt.
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3d zeigt nun den Zustand, in welchem der Probenmessbehälter 1 auf die Grundplatte 45 aufgesetzt ist. Nun wird mittels der Positionierungsvorrichtung der Probenbehälter 2 gegen die Grundplatte 45 gepresst und somit abgedichtet, damit nachfolgend eingeführte Fluide und auch die Bodenprobe 50 nicht aus dem Probenbehälter entweichen.
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Als nächster Schritt ist in der 3e gezeigt, dass mittels der Dosiervorrichtungen 22 die Reagenzlösung (Wasser oder ein anderes Fluid), welches für die Durchführung der nachfolgenden Messungen mittels der Sensoren 30 erforderlich ist, in das Innere des Probenbehälters 2 eingeführt wird.
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In der 3f ist nun gezeigt, dass die eingefüllte Reagenzlösung mit der Bodenprobe 50 durchmischt wird, indem die Förderschnecke 3 mittels der Welle 4 und des darauf angebrachten Antriebs 6 in eine rasche Drehung versetzt wird. Somit wird eine Suspension der Bodenprobe mit dem Wasser erzeugt, welche dann direkt mit den nun in die Suspension eintauchenden Sensoren 30 gemessen werden kann. Nach Beendigung des Messvorganges wird die Förderschnecke 3 wieder ruhiggestellt. Die Suspension setzt sich dann gegebenenfalls wieder ab.
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Die 3g zeigt nun den Reinigungsschritt, in welchem sowohl die Grundplatte 45 mittels einer Spüllösung, welche durch die Leitung 46 auf die Grundplatte aufgetragen wird, als auch das Innere des Probenbehälters 2 mittels einer Spüllösung, welche durch die Dosiervorrichtungen 12 über die Leitung 11 durch die Düse 10 in das Innere des Probenbehälters ein gesprüht wird, gereinigt werden.
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In der 3h ist nunmehr wieder der Zustand gemäß der 3 A dargestellt. Aus dieser Grundstellung heraus, kann nun erneut eine andere Bodenprobe 50 von der Grundplatte 55 entnommen werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der iterativen Probenentnahme von Schüttgut aus einem Massenstrom, der Herstellung einer Suspension aus entnommener Probe und einer vorgegebenen Fluidmenge, insbesondere Wasser, der Durchführung von Messungen in der Suspension, der Entleerung und Reinigung der Vorrichtung zur sofortigen Wiederverwendung.
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Der wesentliche erfinderische Schritt der Lösung ist der Einsatz einer Schneckenförderung, insbesondere bevorzugt in Kombination mit einer Positioniereinheit, zur Probenentnahme, zur Herstellung einer homogenen Mischung, sowie zur Entleerung des Probenbehälters durch eine einzige Einheit die dadurch mit geringem technischem und mechanischem Aufwand umsetzbar ist. Die Lösung ist dadurch robust und auch für den mobilen Einsatz auf Ackerfahrzeugen geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Probenmessbehälter
- 2
- Probenbehälter
- 3
- Förderschnecke
- 4
- Welle
- 5
- Wellenlager
- 6, M
- Antrieb
- 7
- Haltevorrichtung
- 10
- Düse
- 11
- Leitung
- 12, P
- Dosiervorrichtung
- 20
- Düse
- 21
- Leitung
- 22, D
- Dosiervorrichtung
- 30
- Sensoren
- 40
- Schwenkarme
- 41
- Befestigung
- 42, M
- Antrieb
- 45
- Grundplatte
- 46
- Leitung
- 50
- Bodenprobe
- 55
- Grundplatte
