DE102017211282A1

DE102017211282A1 - SYSTEM ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG EINER ZUSTANDSGRÖßE EINES MESSOBJEKTS UND ENTSPRECHENDES VERFAHREN

Info

Publication number: DE102017211282A1
Application number: DE102017211282.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Jank; Susanne OERTEL; Alicia Marion Zörner; Wolfgang Thieme; Thomas Heckel; Christopher Joffe; Esther Ann RENNER; Christian Hofmann; Nadine Ramona LANG; Matthias Struck; Achim Endruschat; Holger Gerstner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-07-03
Publication date: 2018-07-19
Also published as: ES2901641T3; WO2018134297A1; US20190339225A1; EP3571497B1; EP3571497A1; US11906462B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein System (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Zustandsgröße eines Messobjekts (100) mit einem Analysesensor (2), einer Steuervorrichtung (3) und einer Auslesevorrichtung (4). Der Analysesensor (2) ist derartig ausgestaltet, zum Verbleib in das Messobjekt (100) einbringbar zu sein, auf eine lonenart sensitiv zu sein und ausgehend von einer Konzentration der lonenart im Messobjekt (100) Messdaten zu erzeugen. Die Steuervorrichtung (3) steuert den Analysesensor (2) in Bezug auf das Erzeugen der Messdaten. Die Auslesevorrichtung (4) liest die Messdaten aus dem Analysesensor (2) aus. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Zustandsgröße eines Messobjekts. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Zustandsgröße eines Messobjekts.
Aufgrund von gesetzlicher Vorlagen ist es z. B. in der Agrarwirtschaft erforderlich, den Zustand von Böden oder auch des Gewässers zu überwachen bzw. zu kontrollieren. Dies dient der Erhaltung der Wasserqualität oder um Überdüngung zu verhindern.
Für die Untersuchung von Böden und Gewässer sind zwei Methoden bekannt: In einer Variante wird eine Probe des Bodens bzw. des Wassers genommen und an ein Labor geschickt. Dies ist zwar genau, jedoch auch teuer. Zudem dauert es eine gewisse Zeit, bis die Ergebnisse vorliegen. Überdies besteht die Möglichkeit, dass die Proben durch den Versand unbrauchbar, kontaminiert oder im Labor vertauscht werden. Alternativ kann direkt am Messobjekt mit einem Teststäbchen ein Abstrich genommen werden. Dies ergibt jedoch nur eine grobe Einschätzung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine möglichst einfache und zuverlässige Möglichkeit zur Kontrolle einer Zustandsgröße eines Messobjekts zu ermöglichen.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein System zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Zustandsgröße eines Messobjekts.
Das System weist mindestens einen Analysesensor, eine Steuervorrichtung und eine Auslesevorrichtung auf. Der Analysesensor ist derartig ausgestaltet, zum Verbleib in das Messobjekt einbringbar zu sein. Der Analysesensor ist derartig ausgestaltet, auf mindestens eine lonenart sensitiv zu sein und ausgehend von einer Konzentration der lonenart im Messobjekt Messdaten zu erzeugen. Die Steuervorrichtung ist derartig ausgestaltet, den Analysesensor in Bezug auf das Erzeugen der Messdaten zu steuern. Die Auslesevorrichtung ist derartig ausgestaltet, die Messdaten aus dem Analysesensor auszulesen.
Der Analysesensor erlaubt somit insbesondere die Messung von Ionen, wobei der Analysesensor spezifisch vorzugsweise auf wenigstens - alternativ nur - eine Ionenart reagiert. Die lonenart steht dabei in mittelbarem oder unmittelbaren Zusammenhang mit der zu bestimmenden und/oder zu überwachenden Zustandsgröße des Messobjekts, sodass auch die Messdaten des Analysesensors unmittelbar oder mittelbar im Zusammenhang mit der Zustandsgröße stehen.
Der Analysesensor ist derartig ausgestaltet, dass er in das Messobjekt eingebracht wird, um dort zu verbleiben. Es handelt sich somit nicht um eine einmalige Messung, sondern es wird ein dauerhaftes Messsystem geschaffen.
Je nach Ausgestaltung schafft das System eine Möglichkeit einer kontinuierlichen, schnellen, echtzeitfähigen Messung von Ionen in einer Messsubstanz des Messobjekts. Dies dient z. B. zur Kontrolle von Böden oder der Wasserqualität. Je nach Ausgestaltung - insbesondere unter Verwendung einer Auswertevorrichtung - ergibt sich eine direkte, schnelle Auswertung oder sogar eine Rückmeldung in Echtzeit. Zudem ergeben sich die Vorteile einer direkten Probensammlung und einer direkten Auswertung. Werden mehrere Analysesensoren verwendet, so lassen sich beispielweise auch großen Agrarflächen ohne ständige Begleitung durch Personal überwachen.
Es folgen drei Varianten für das Messobjekt, dessen Zustandsgröße es zu ermitteln oder zu überwachen gilt.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Messobjekt um einen Boden. Der Boden ist beispielsweise ein Acker, eine Wiese oder ein Feld.
In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei dem Messobjekt um ein Gewässer. Das Gewässer ist beispielsweise ein Fluss, ein Teich, eine See oder ein Klärbecken usw. Der Analysesensor oder ggf. die Analysesensoren befinden sich dabei beispielsweise in Wasserleitungen, Wasserhähnen, Hauswasserwerken, Wasserwerken, Brunnen, Tiefbrunnen, Pumpen, Heizanlagen, Wasseraufbereitern, Wasserfiltern, Wasseruhren, Schwimmbecken, Stauseen, Seen- und Gewässer, Flüsse, Bäche usw. Anwendungen beziehen sich jedoch auch auf den Privatgebrauch, z. B. Schwimmbecken. In einer anderen Ausgestaltung handelt es sich bei dem Messobjekt um ein landwirtschaftliches Produkt. Das landwirtschaftliche Produkt ist z. B. Obst oder Gemüse oder es handelt sich um eine Biomasse zur Gewinnung von Energie. Weiterhin kann es sich um Futtermittel in Form von Silage handeln.
Eine Zustandsgröße ist beispielsweise der Nitratgehalt, für den es in der Landwirtschaft gesetzliche Vorgaben gibt. So ist z. B. die Nitratkonzentration in Brunnen- oder Trinkwasseranlagen regelmäßig zu kontrollieren, wobei vorgegebene Grenzwerte nicht überschritten werden dürfen. Die Düngung von Äckern darf beispielsweise im Rahmen der Stickstoffbilanz nur bis zu einer vorgegebenen Maximalgrenze pro Fläche und pro Jahr erfolgen.
Weitere Zustandsgrößen sind z. B. die Ammoniumkonzentration bzw. die Ammoniakkonzentration: Diese Parameter eignen sich sehr gut als Indikatoren für Gewässerverunreinigungen durch häusliche Abwässer und landwirtschaftliche Produktion. Bei Ammonium handelt es sich um einen ungiftigen Pflanzennährstoff. Ammoniak hingegen ist ein farbloses, stechend riechendes giftiges Gas. Beide Formen kommen im Wasser nebeneinander vor. Wichtig dabei ist an dieser Stelle der Bezug zum pH-Wert. Der pH-Wert wird dabei beispielsweise über einen im Folgenden vorgestellten Zusatz-Sensor ermittelt. Um den Neutralpunkt 7,0 liegt ein ausgeglichenes Verhältnis zwischen Ammonium und Ammoniak vor. Verschiebt sich der pH-Wert ins alkalische (basische) Milieu, so wird aus den Ammonium-Ionen das Ammoniak freigesetzt. In stark basischen Lösungen liegt freies Ammoniak vor, welches in höheren Konzentrationen für jegliches Leben im Gewässer tödlich ist.
Weitere Zustandsgrößen sind z. B. die Konzentration und/oder die Art der Säuretypen. Beim Beispiel der Silage liefert die Überwachung des pH-Werts in der Regel alleine keine ausreichende Aussage über die Gärqualität. Die Erfassung von mehreren Säuretypen (z. B. Butter-, Essig- und Milchsäure) ist deshalb erforderlich.
Mögliche Anwendungen des Systems in der Landwirtschaft sind beispielsweise:

• Die Kontrolle des Stickstoffgehaltes in Form von Nitratgrenzwerte oder Bestimmen des optimalen Aussaatszeitpunkts usw., wobei mindestens ein Analysesensor in einen feuchten Boden eingebracht wird.
• Überwachung von Wasserspeichern, die z. B. landwirtschaftlich genutzt werden.
• Überwachung des Grundwasservorkommens, das durch Agrarflächen beeinflusst wird.
• Überwachung von Gülletanks - als Beispiel für Träger von landwirtschaftlichen Produkten - zur Abklärung von Düngergehalt vor dem Aufbringen auf das Feld.
• Kontrolle von Trink- und Brunnenwasser (gesetzliche Vorschrift auch für landwirtschaftliche Betriebe).
• Optimiertes Düngemanagement.
• Überwachung von Silage-Behälter.

In einer Ausgestaltung sind mehrere Analysesensoren vorhanden. Die somit mindestens zwei Analysesensoren befinden sich dabei am gleichen oder an unterschiedlichen Orten innerhalb des Messobjekts. In einer Ausgestaltung werden die Analysesensoren einzeln oder über mindestens einen gemeinsamen Knoten ausgelesen.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Analysesensoren auf die gleiche Ionenart sensitiv sind. Alternativ oder ergänzend ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Analysesensoren auf unterschiedliche lonenarten sensitiv sind. In einer Ausgestaltung sind mindestens zwei Analysesensoren auf die gleiche lonenart und ist wenigstens ein Analysesensor auf eine andere Ionenart sensitiv.
In einer weiteren Ausgestaltung ist wenigstens ein Analysesensor auf mindestens zwei lonenarten sensitiv. Ein solcher Multisensor liefert Messdaten über mehrere Ionenarten, um z. B. die Wechselwirkung verschiedener Ionen zu detektieren. Dabei lassen sich die Messdaten über entsprechende Algorithmen interpretieren.
In einer Ausgestaltung weist das System mindestens eine Speichervorrichtung auf.
Die Speichervorrichtung dient in einer Ausgestaltung der Hinterlegung von Auswertedaten und/oder von Referenzdaten für die Auswertung der Messdaten des mindestens einen Analysesensors.
In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung ist die Speichervorrichtung derartig ausgestaltet, die Messdaten und/oder von den Messdaten abgeleitete Daten zu speichern. In einer Ausgestaltung ist die Auslesevorrichtung derartig ausgestaltet, Messdaten aus dem mindestens einen Analysesensor auszulesen und in der Speichervorrichtung abzuspeichern. Die von den Messdaten abgeleiteten Daten sind z. B. anhand von Referenzdaten aus den primären Messdaten (z. B. ein Spannungswert) abgeleitete Aussagen über die Ionen bzw. über das Messmedium, in dem sich der Analysesensor befindet (z. B. die Konzentration der Ionen). Alternativ oder ergänzend sind die abgeleiteten Daten ein Maß für die Änderungen der Messdaten des mindestens einen Analysesensors oder ein Maß für die Abweichung zwischen den Messdaten mehrerer Analysesensoren.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das System mindestens eine Auswertevorrichtung auf. In einer Ausgestaltung ist die Auswertevorrichtung derartig ausgestaltet, die Messdaten des mindestens einen Analysesensors oder alternativ der Analysesensoren im Hinblick auf die Zustandsgröße auszuwerten und/oder von den Messdaten Daten abzuleiten. In einer Ausgestaltung ist die Auswertevorrichtung mit der Speichervorrichtung und/oder mit der Steuervorrichtung verbunden. Die Auswertung beinhaltet in einer Ausgestaltung die Ermittlung einer flächenbezogenen Konzentration und/oder einer Konzentrationsänderung. Werden mehrere Analysesensoren verwendet, so beinhaltet in einer Ausgestaltung die Auswertung die Ermittlung einer Konzentrationsverteilung.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das System mindestens einen Zusatz-Sensor aufweist. In einer Ausgestaltung ist der Zusatz-Sensor derartig ausgestaltet, Messdaten mindestens in Abhängigkeit von einer Temperatur, einem Füllstand, einem Durchfluss (Massen- und/oder Volumendurchfluss), einem pH-Wert, einem elektrischen Widerstand, einer elektrischen Leitfähigkeit, einem Anteil eines Gases, einem Anteil von Sauerstoff (als einem ausgesuchten Gas) oder einer Fließgeschwindigkeit zu erzeugen. Der Zusatzsensor unterscheidet sich somit von den Analysesensoren und ist vorzugsweise nicht abhängig von einer speziellen Ionenart. In einer Ausgestaltung beziehen sich die Messdaten des Zusatzsensors auf das Messobjekt (z. B. die Temperatur oder der Füllstand in einem Behälter) selbst und in einer alternativen Ausgestaltung auf die Umgebung des Messobjekts (z. B. die Menge des sich in das Messobjekt ergießenden Wassers).
Gemäß einer Ausgestaltung weist das System mindestens eine Energiequelle auf. Die Energiequelle ist dabei derartig ausgestaltet, mindestens einen Analysesensor mit Energie zu versorgen. Alternativ oder ergänzend dient die Energiequelle der Energieversorgung mindestens der Auslesevorrichtung, der Auswertevorrichtung, der Steuervorrichtung oder der Speichervorrichtung.
Die folgenden Ausgestaltungen beziehen sich auf die konkrete Ausgestaltung der Energiequelle.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Energiequelle mindestens eine Batterie aufweist.
Alternativ oder ergänzend besteht eine Ausgestaltung darin, dass die Energiequelle mindestens einen Akku aufweist. In einer damit einhergehenden Ausgestaltung ist die Energiequelle derartig ausgestaltet, dass der Akku berührungslos aufladbar ist. In einer Ausgestaltung erfolgt die Aufladung durch induktives Wirkprinzip, wobei an den Akku eine entsprechende elektrische Schaltung und/oder Komponenten zur Einkopplung und Wandlung der Energie für das Aufladen des Akkus angebracht sind.
Gemäß einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung ist die Energiequelle derartig ausgestaltet, mittels „Energy Harvesting“ Energie zu erzeugen. Hierfür wird beispielweise Windenergie oder eine Temperaturdifferenz ausgenutzt.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mindestens ein Analysesensor und die Auslesevorrichtung kabellos und/oder durch elektromagnetische Wellen miteinander in Bezug auf Datenübertragung verbunden sind. In dieser Ausgestaltung besteht somit insbesondere keine Kabelverbindung zwischen mindestens einem Analysesensor und der Auslesevorrichtung. Alternativ oder ergänzend sind auch mindestens ein Analysesensor und die Steuervorrichtung kabellos miteinander kontaktiert.
Die Daten werden in einer Ausgestaltung insbesondere über kurze Distanzen hinweg per Bluetooth Low Energy übertragen. In einer weiteren Ausgestaltung verfügen die miteinander kommunizierenden Komponenten über Antennen, die auch über weitere Distanzen eine Datenübertragung erlauben.
In einer Ausgestaltung ist die Auslesevorrichtung als mobile Einheit ausgestaltet. In dieser Ausgestaltung wird beispielsweise die Auslesevorrichtung in die Nähe der in dem Messobjekt befindlichen Analysesensoren - und ggf. des mindestens einen Zusatzsensors gebracht - und die Messdaten werden ausgelesen. Die mobile Einheit verfügt vorzugweise über mindestens eine Antenne zum Empfangen der Daten.
Die folgenden Ausgestaltungen beziehen sich auf die konkrete Ausgestaltung des mindestens einen Analysesensors.
Gemäß einer Ausgestaltung weist mindestens ein Analysesensor mindestens eine auf einer - vorzugsweise flexiblen - Folie - z. B. mit Siebdruckpasten - gedruckte ionenselektive Elektrode, eine - vorzugsweise mindestens einen lonophor aufweisende - ionenselektive Membran, eine Referenzelektrode und eine Gegenelektrode auf. Der lonophor dient dabei dem Transport der zugeordneten Ionenart durch die - somit ionenselektive - Membran. Dabei ist der Analysesensor vorzugsweise preiswert.
Eine ionenselektive Elektrode (andere Bezeichnungen sind: ionenspezifische oder ionensensitive Elektrode) erlaubt die Messung der Konzentration bzw. der Aktivität eines bestimmten gelösten Ions. Gemessen wird dabei eine elektrische Spannung zwischen der ionenselektiven Elektrode und einer zweiten Elektrode (die Bezugs- bzw. Referenzelektrode). In einer Ausgestaltung besteht die Folie zumindest teilweise aus Polyester (PET oder PEN) oder aus Polyimiden (PI) oder anderen synthetischen Materialien wie Polyurethan (PU) oder aus synthetischen Textilien. Passieren eine Membran unterschiedliche lonenarten, so erlauben entsprechende Kalibrierungsdaten eine Kompensation der Messwerte.
Vorzugweise handelt es sich um einen gedruckten Analysesensor, der gedruckte Arbeits- und Referenzelektroden sowie mindestens eine Passivierungsschicht aufweist. Die Herstellung erfolgt vorzugsweise mit kommerziell erhältlichen Siebdruckpasten, wobei in einer Ausgestaltung eine Optimierung der gedruckten Elektroden mittels Ausheizen bei pastenspezifischen Temperaturen erfolgt. In einer Ausgestaltung sieht die Fertigstellung der Referenzelektrode das Aufbringen einer Mischung aus Polyvinylbutyral, Methanol und Natriumchlorid vor (vgl. T. Guinovart et al., „Potentiometric sensors using cotton yarns, carbon nanotubes and polymeric membranes“, Analyst, 2013, 5208 - 5215). In einer Ausgestaltung umfasst die Herstellung des ersten Sensors das Aufbringen des ionenselektiven Materials in Form eines lonophors (beispielsweise Nonactin,Valinomycin, Natriumionophor) auf eine Arbeitselektrode. Dabei ist in einer Ausgestaltung eine Mischung mit einer Matrix (netzwerkbildende Materialien, insbesondere Polymere und vorzugsweise Polyvinylbutyral, PVB, und Polyvinylchlorid, PVC) vorgesehen. In einer Ausgestaltung wird die Menge des lonophors minimiert, um eine kostengünstige Realisierung des Analysesensors zu ermöglichen.
Gemäß einer Ausgestaltung ist mindestens ein Analysesensor derartig ausgestaltet, auf mindestens eine Ionenart in einer feuchten oder nassen Umgebung sensitiv zu sein. Der Analysesensor ist somit beispielsweise derartig ausgestaltet, in Flüssigkeiten oder feuchten Böden die jeweils relevante Ionen bzw. Stoffe messen zu können.
In einer Ausgestaltung erlaubt mindestens ein Analysesensor eine Messung von mindestens einer der folgenden Substanzen und/oder deren Abbauprodukte: Nitrat, Nitrit, Chlorid, Fluorid, Sulfat, Ammonium, Sauerstoff, Phosphate, Kalium, Natrium oder Kalzium.
Alternativ oder ergänzend erlaubt der Analysesensor eine Messung von mindestens einer Säure und/oder von mindestens einem Abbauprodukt bei einem Gärprozess.
In einer Ausgestaltung ist mindestens ein Analysesensor derartig ausgestaltet, eine Messung mindestens von einem Biozid, einem Weichmacher, Algen, Pilzen, Sporen, Bakterien, einem Giftstoff, einem Toxin oder eines metallischen Stoffs zu erlauben. Die Messung bezieht sich somit auf eine der vorgenannten Zustandsgrößen.
Dabei ist mindestens ein Analysesensor derartig ausgestaltet, kontinuierlich Messdaten zu erzeugen oder nur zu vorgebbaren Messzeitpunkten Messdaten zu erzeugen.
In einer Ausgestaltung ist mindestens ein Analysesensor derartig ausgestaltet, dass der Analysesensor biologisch abbaubar ist. Der Analysesensor kann somit im Messobjekt vollständig bis zu seiner Auflösung verbleiben.
In einer Ausgestaltung weist mindestens ein Analysesensor eine Identifizierungseinheit auf. Die Identifizierungseinheit ist in einer Ausgestaltung ein RFID-Tag und ist in einer alternativen Ausgestaltung ein Schild oder ein Aufkleber mit einer Seriennummer.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Zustandsgröße eines Messobjekts.
Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

• dass mindestens ein Analysesensor zum Verbleib in das Messobjekt eingebracht wird,
• dass von dem Analysesensor ausgehend von einer Konzentration einer lonenart im Messobjekt Messdaten erzeugt werden,
• dass der Analysesensor in Bezug auf das Erzeugen der Messdaten gesteuert wird, und
• dass die Messdaten aus dem Analysesensor ausgelesen werden.

Die Messdaten stehen dabei insbesondere im Zusammenhang mit der Zustandsgröße und erlauben vorzugsweise eine Auswertung in Bezug auf die Zustandsgröße.
Die oben beschriebenen Ausgestaltungen der Vorrichtung lassen sich dabei auch durch das Verfahren realisieren, so dass die Ausgestaltungen und Ausführungen entsprechend auch für das Verfahren gelten. Daher wird auf Wiederholungen verzichtet.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße System und das Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Beispiels der Anwendung des Systems als Blockschaltbild,
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Anwendungsbeispiels und
3 eine Draufsicht auf einen Analysesensor.

In der 1 ist schematisch ein Anwendungsbeispiel des Systems 1 dargestellt. Dabei wird eine Zustandsgröße eines Bodens als Messobjekt 100 überwacht bzw. ermittelt. Die Zustandsgröße ist hier als Beispiel die Belastung des Bodens mit einem Dünger.
Das System 1 verfügt dabei in dem Beispiel über vier Analysesensoren 2, die in dem Boden 100 eingebracht sind, um dort dauerhaft zu verbleiben und Messdaten zu erzeugen. Die Analysesensoren 2 reagieren dabei auf Ionen, die sich in einer insbesondere nassen bzw. zumindest feuchten Umgebung befinden.
Für die Messungen und die Kommunikation der Messdaten verfügt in der gezeigten Ausgestaltung jeder Analysesensor 2 über eine Energiequelle 8. Bei den Energiequellen 8 handelt es sich hier um Akkumulatoren (oder kurz Akkus), die mittels induktivem Wirkprinzip und der zugehörigen elektrischen Schaltung und Komponenten berührungslos aufgeladen werden können. Weiterhin verfügt ein Analysesensor 2 noch über eine Identifizierungseinheit 9, über die beispielsweise zusätzlich mittels GPS-Technologie die Position des Analysesensors 2 zu identifizieren ist. Die anderen Analysesensoren 2 lassen sich beispielsweise über ihre Seriennummern identifizieren.
Die Messungen der Analysesensoren 2 werden durch eine Steuervorrichtung 3 gesteuert, die insbesondere über Funk mit den Analysesensoren 2 kommuniziert und die Messzeitpunkte vorgibt oder auch die Energieversorgung überwacht.
Weiterhin ist eine - in dem dargestellten Beispiel fest installierte - Auslesevorrichtung 4 vorgesehen, die die Messdaten - ebenfalls berührungs- und hier insbesondere kabellos - ausliest und an eine Auswertevorrichtung 6 übergibt. Die Auswertevorrichtung 6 wertet unter Anwendung von Algorithmen und/oder Referenzdaten usw. die Messdaten aus und leitet davon Daten ab, die im Zusammenhang mit der Zustandsgröße des Messobjekts 100 stehen. So geben die erzeugten Daten z. B. Auskunft über einen Nitratgehalt im Boden 100. Die erzeugten (Auswerte-)Daten speichert die Auswertevorrichtung 6 hier in einer Speichervorrichtung 5 ab.
Ergänzend ist ein Zusatzsensor 7 vorhanden, der weitere Informationen über das Messobjekt 100 liefert. Dies ist in dem gezeigten Beispiel der pH-Wert. Der Zusatzsensor 7 wird hier ebenfalls von der Auslesevorrichtung 4 ausgelesen, um die Messwerte bezüglich des pH-Werts an die Auswertevorrichtung 6 zu übergeben. Die Messwerte des Zusatzsensors 7 werden somit zusammen mit den Messdaten der Analysesensoren 2 für die Überwachung der Zustandsgröße des Messobjekts 100 - die hier beispielsweise die Belastung des Bodens ist - verwendet.
Eine weitere Ausgestaltung des Systems 1 zeigt die 2. Darin sind insgesamt drei unterschiedliche Messobjekte 100 dargestellt: ein Acker als Beispiel für einen Boden, ein Flusslauf als Beispiel für ein Gewässer und ein Komposthaufen als Beispiel für ein landwirtschaftliches Produkt.
In allen drei Messobjekten 100 ist jeweils ein Analyse-Sensor 2 und jeweils ein Zusatzsensor 7 eingebracht. Der Zusatzsensor 7 des Flusslaufs ist z. B. ein Durchflussmessgerät und der Zusatzsensor 7 des Komposthaufens ist ein Temperaturmessgerät. Der Zusatzsensor 7 des Bodens 100 ermittelt die Feuchtigkeit.
Das Durchflussmessgerät 7 des Gewässers 100 ist hier mit einem Windrad als Beispiel für eine Energiequelle 8 verbunden, die Energy Harvesting betreibt.
Weiterhin ist die Auslesevorrichtung 4 mobil ausgestaltet und wird hier als Beispiel mit einem Traktor durch das Areal bewegt, in dem sich die Messobjekte 100 befinden. Dabei wird insbesondere die Auslesevorrichtung 4 über den Boden als Messobjekt 100 bewegt. Der Auslesevorgang erfolgt dabei beispielweise über eine Anwendung der RFID-Technologie. Die Auslesevorrichtung 4 ist über Funk mit einer Speichervorrichtung 5 verbunden, die hier als Cloud realisiert ist.
Die weitere Auswertung der Messdaten, die in der Speichervorrichtung 5 hinterlegt sind, erfolgt über einen Computer als Auswertevorrichtung 6.
Die 3 zeigt die ionenselektive Elektrode 21 eines Analysesensors 2, die auf einer flexiblen Folie 20 aufgebracht ist. Über die ionenselektive Elektrode 21 wird die Konzentration eines Ions ermittelt. Hierfür ist - in dem dargestellten Ausführungsbeispiel - eine kreisförmige ionenselektive Membran 22 vorhanden, die umgeben ist von zwei halbkreisförmigen Elektroden in Form einer Referenzelektrode 23 und eine Gegenelektrode 24. Die ionenselektive Membran 22 trennt dabei das - insbesondere feuchte oder zumindest nasse - Messmedium (z. B. das fließende Gewässer oder die Erde des Bodens oder das landwirtschaftliche Produkt selbst) von der Elektrodenanordnung. Die Membran 22 ist über auf- bzw. eingebrachte lonophoren so eingestellt, dass nur die gewünschten Ionen die Membran 22 passieren können. An der Stelle der ionenselektiven Membran 22 befindet sich noch eine Arbeitselektrode, deren elektrische Kontaktierung über eine Leitung dargestellt ist.
Aus der gemessenen elektrischen Spannung oder dem gemessenen elektrischen Potential lässt sich die Konzentration der Ionen ermitteln.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

System (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Zustandsgröße eines Messobjekts (100), mit mindestens einem Analysesensor (2), einer Steuervorrichtung (3) und einer Auslesevorrichtung (4), wobei der Analysesensor (2) derartig ausgestaltet ist, zum Verbleib in das Messobjekt (100) einbringbar zu sein, wobei der Analysesensor (2) derartig ausgestaltet ist, auf mindestens eine Ionenart sensitiv zu sein und ausgehend von einer Konzentration der lonenart im Messobjekt (100) Messdaten zu erzeugen, wobei die Steuervorrichtung (3) derartig ausgestaltet ist, den Analysesensor (2) in Bezug auf das Erzeugen der Messdaten zu steuern, und wobei die Auslesevorrichtung (4) derartig ausgestaltet ist, die Messdaten aus dem Analysesensor (2) auszulesen.
System (1) nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Messobjekt (100) um einen Boden handelt.
System (1) nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Messobjekt (100) um ein Gewässer handelt.
System (1) nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Messobjekt (100) um ein landwirtschaftliches Produkt handelt.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mehrere Analysesensoren (2) vorhanden sind, und wobei die Analysesensoren (2) auf die gleiche Ionenart und/oder sensitiv sind.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mehrere Analysesensoren (2) vorhanden sind, und wobei die Analysesensoren (2) auf unterschiedliche Ionenarten sensitiv sind.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens eine Speichervorrichtung (5) vorhanden ist, und wobei die Speichervorrichtung (5) derartig ausgestaltet ist, die Messdaten und/oder von den Messdaten abgeleitete Daten zu speichern.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das System (1) mindestens eine Auswertevorrichtung (6) aufweist, und wobei die Auswertevorrichtung (6) derartig ausgestaltet ist, die Messdaten im Hinblick auf die Zustandsgröße auszuwerten und/oder von den Messdaten Daten abzuleiten.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das System (1) mindestens einen Zusatz-Sensor (7) aufweist, und wobei der Zusatz-Sensor (7) derartig ausgestaltet ist, Messdaten mindestens in Abhängigkeit von einer Temperatur, einem Füllstand, einem Durchfluss, einem pH-Wert, einem elektrischen Widerstand, einer elektrischen Leitfähigkeit, einem Anteil eines Gases, einem Anteil von Sauerstoff oder einer Fließgeschwindigkeit zu erzeugen.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das System (1) mindestens eine Energiequelle (8) aufweist, und wobei die Energiequelle (8) derartig ausgestaltet ist, mindestens einen Analysesensor (2) mit Energie zu versorgen.
System (1) nach Anspruch 10, wobei die Energiequelle (8) mindestens einen Akku aufweist, und wobei die Energiequelle (8) derartig ausgestaltet ist, dass der Akku induktiv aufladbar ist.
System (1) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Energiequelle (8) derartig ausgestaltet ist, mittels Energy Harvesting Energie zu erzeugen.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei mindestens ein Analysesensor (2) und die Auslesevorrichtung (4) kabellos und/oder durch elektromagnetische Wellen miteinander in Bezug auf Datenübertragung verbunden sind.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Auslesevorrichtung (4) als mobile Einheit ausgestaltet ist.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei mindestens ein Analysesensor (2) mindestens eine auf einer Folie (20) gedruckte ionenselektive Elektrode (21), eine - vorzugsweise mindestens einen lonophor aufweisende - ionenselektive Membran (22), eine Referenzelektrode (23) und eine Gegenelektrode (24) aufweist.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei mindestens ein Analysesensor (2) derartig ausgestaltet ist, eine Messung mindestens von Nitrat, Nitrit, Chlorid, Fluorid, Sulfat, Ammonium, Sauerstoff, Phosphate, Kalium, Natrium oder Kalzium und/oder deren Abbauprodukte und/oder von mindestens einer Säure und/oder von mindestens einem Abbauprodukt bei einem Gärprozess zu erlauben.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei mindestens ein Analysesensor (2) derartig ausgestaltet ist, eine Messung mindestens von einem Biozid, einem Weichmacher, Algen, Pilzen, Sporen, Bakterien, einem Giftstoff, einem Toxin oder eines metallischen Stoffs erlaubt.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei mindestens ein Analysesensor (2) biologisch abbaubar ist.
Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Zustandsgröße eines Messobjekts (100), wobei mindestens ein Analysesensor (2) zum Verbleib in das Messobjekt (100) eingebracht wird, wobei von dem Analysesensor (2) ausgehend von einer Konzentration einer Ionenart im Messobjekt (100) Messdaten erzeugt werden, wobei der Analysesensor (2) in Bezug auf das Erzeugen der Messdaten gesteuert wird, und wobei die Messdaten aus dem Analysesensor (2) ausgelesen werden.