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Die Erfindung betrifft eine Saugkerze zur Durchführung von Bodenwasserproben, mit einem insbesondere hohlzylinderförmigen Gehäuse, das eine zumindest im Wesentlichen geschlossene und medienundurchlässige Mantelwand aufweist, wobei das Gehäuse zumindest eine Öffnung aufweist, die durch ein flüssigkeitsdurchlässiges Filterelement verschlossen ist, sowie einen Sauganschluss zum Erzeugen eines Unterdrucks in dem Gehäuse.
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Stand der Technik
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Saugkerzen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielsweise die Offenlegungsschrift
DE 20 2005 002 598 U1 eine Saugkerze mit einem hohlzylinderförmigen Gehäuse, das an einer Stirnseite eine Einführspitze aufweist, mit welcher die Saugkerze in einen Boden einsteckbar oder einschiebbar ist, um aus dem Boden eine Wasserprobe zu entnehmen. Dabei kann die Saugkerze unterschiedlich weit in den Boden eingeführt werden, um Wasserproben aus unterschiedlichen Höhen zu entnehmen. Die Einführspitze des Gehäuses ist dabei aus porösem Siliziumkarbid gebildet und stellt somit ein flüssigkeitsdurchlässiges Filterelement des Gehäuses dar. Das andere Stirnende des Gehäuses ist mit dem Sauganschluss verbunden, durch welchen in dem Gehäuse ein Unterdruck erzeugbar ist, mittels dessen Wasser aus dem Boden durch die Einführspitze in den Innenraum des Gehäuses und durch den Sauganschluss zu einer Auswerteeinrichtung förderbar ist.
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Außerdem ist aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 29818621 U1 eine ionenselektive Nitratelektrode bekannt, mittels welcher die Konzentration von Ionen in einer Flüssigkeit bestimmbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Saugkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie in der Lage ist, Eigenschaften einer aufgenommenen Flüssigkeit aus dem Boden direkt auszuwerten. Hierzu ist in dem Gehäuse der Saugkerze eine Sammelkammer angeordnet oder ausgebildet, in welche eine mit der Öffnung verbundene Fluidleitung mündet, wobei in der Kammer zumindest ein Sensor zur Ermittlung einer Nährstoffkonzentration, insbesondere einer lonenkonzentration, der von in der Sammelkammer befindlicher Flüssigkeit, insbesondere in der Sammelkammer befindlichem Bodenwasser angeordnet ist. Die durch das flüssigkeitsdurchlässige Filterelement in das Gehäuse geförderte Flüssigkeit wird somit in die Sammelkammer befördert. Hierzu ist die Sammelkammer mit der Öffnung beziehungsweise dem der Öffnung zugeordneten Filterelement durch eine Fluidleitung verbunden. Wird ein Unterdruck insbesondere in der Sammelkammer erzeugt, so wird dadurch die Flüssigkeit bis in die Sammelkammer gesogen. In der Kammer befindet sich außerdem der zumindest eine Sensor. Dadurch ist das in der Sammelkammer befindliche Bodenwasser direkt mittels des Sensors untersuchbar. Nach der durchgeführten Untersuchung kann die Flüssigkeit aus der Sammelkammer durch Überdruck wieder zurück in das Erdreich gefördert werden. Dadurch ist auch eine Mehrfachbodenprobe ohne großen Aufwand mit ein und derselben Saugkerze einfach und kosteneffizient durchführbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in dem Gehäuse eine insbesondere saugseitig mit der Sammelkammer verbundene Unterdruckerzeugungseinrichtung zum Erzeugen des Unterdrucks angeordnet. Damit befinden sich die Mittel zum Erzeugen eines Unterdrucks in der Sammelkammer bereits in der Saugkerze selbst. Dazu ist ein nach außen führende Sauganschluss nicht notwendig, wodurch die Saugkerze autark betreibbar ist. Die Einrichtung weist insbesondere eine elektrisch antreibbare Pumpe auf.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass insbesondere der Sammelkammer ein Drucksensor zum Überwachen des eingestellten Unterdrucks zugeordnet ist. Durch Überwachen des Unterdrucks ist beispielsweise eine Fehlfunktion der Saugkerze einfach feststellbar. Übersteigt der Unterdruck beispielsweise einen vorgegebenen Grenzwert, so wird darauf erkannt, dass das flüssigkeitsdurchlässige Filterelement verstopft ist. Vorzugsweise weist die Saugkerze Mittel zum Ausgeben einer Warnmeldung auf, welche in einem derartigen Fall angesteuert werden. Bei den Mitteln kann es sich beispielsweise um eine Einrichtung zum Ausgeben eines akustischen und/oder visuellen Warnsignals handeln, wobei die Einrichtung bevorzugt an dem von der Einführspitze abgewandten Ende der Saugkerze angeordnet ist. Des Weiteren stellt die Steuereinheit bevorzugt in Abhängigkeit von dem erfassten Unterdruck während des Saugbetriebs die Verfügbarkeit von Bodenwasser beziehungsweise Flüssigkeit im zu prüfenden Boden fest.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass in dem Gehäuse eine Steuereinheit angeordnet und mit der Pumpe, dem Sensor und/oder dem Drucksensor verbunden ist. Durch die Steuereinheit werden Pumpe, Sensor und/oder Drucksensor angesteuert, um die Bodenprobe zu entnehmen und zu analysieren. Insbesondere weist die Steuereinheit außerdem einen Datenspeicher auf, in welchem die analysierten Daten oder erfassten Daten hinterlegt werden. Durch die in das Gehäuse integrierte Steuereinheit ist somit ein autarker Betrieb der Saugkerze möglich, der eine vollautomatische Bodenuntersuchung erlaubt.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass in dem Gehäuse ein wiederaufladbarer elektrischer Energiespeicher angeordnet und insbesondere mit der Pumpe, der Steuereinheit, dem Sensor und/oder dem Drucksensor verbunden ist. Damit ist auch die Energieversorgung der einzelnen elektrischen/elektronischen Komponenten der Saugkerze. Vorzugsweise weist die Saugkerze eine Energieversorgungsschnittstelle auf, mittels welcher der Energiespeicher elektrisch aufladbar ist. Die Schnittstelle kann dabei kabelgebunden oder auch kabellos, beispielsweise in Form eines Induktionsladegeräts, ausgebildet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in dem Gehäuse zumindest ein Kommunikationsmodul zur drahtlosen Kommunikation angeordnet und mit der Steuereinheit verbunden. Die Steuereinheit kann durch Ansteuern des Kommunikationsmoduls die von ihr erfassten Daten und/oder Auswertungen drahtlos beispielsweise an eine Basisstation und/oder an einen mobilen Computer des Benutzers senden, sodass die Daten schnell gesichtet und ausgewertet werden können.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Gehäuse zumindest eine weitere Öffnung aufweist, die in Längserstreckung des Gehäuses gesehen beabstandet zu der bereits genannten Öffnung ausgebildet ist, wobei die weitere Öffnung durch ein weiteres flüssigkeitsdurchlässiges Filterelement verschlossen und durch eine weitere Leitung mit der Sammelkammer verbunden ist. Dadurch, dass die weitere Öffnung beabstandet zu der einen Öffnung angeordnet ist, ist durch diese eine Flüssigkeitsentnahme an einer tiefergelegenen oder höhergelegenen Stelle im Boden möglich, ohne dass hierfür die Saugkerze in dem Boden in ihrer Längserstreckung verschoben werden müsste. Dies vereinfacht das Entnehmen von Bodenproben auf unterschiedlichen Tiefen.
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Insbesondere ist in der Leitung und/oder in der weiteren Leitung jeweils ein betätigbares Ventil angeordnet, um einen Durchströmungsquerschnitt der jeweiligen Leitung freizugeben und zu verschließen. Durch das oder die Ventile ist somit die von der Pumpe erzeugte Saugleistung auf die mehreren Öffnungen verteilbar, sodass gezielt Bodenproben aus unterschiedlichen Tiefen entnehmbar sind. Beide Ventile sind bevorzugt mit der Steuereinheit verbunden, welche die Ventile unabhängig voneinander betätigt, um eine Bodenprobe entweder durch die eine oder durch die weitere Öffnung zu entnehmen. Die Ventile weisen beispielsweise einen in der jeweiligen Leitung liegende Schließkörper auf, der verlagerbar ist, um die jeweilige Leitung freizugeben oder zu verschließen. Dem Schließkörper ist dazu ein ansteuerbarer Elektroaktuator zugeordnet, der beispielsweise elektromotorisch oder elektromagnetisch den Schließkörper bedient.
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Vorzugsweise ist das jeweilige Filterelement eine flüssigkeitsdurchlässige Membran. Diese ist kostengünstig und bauraumsparend in das Gehäuse integrierbar. Besonders bevorzugt ist die flüssigkeitsdurchlässige Membran aus porösem Siliziumkarbid gefertigt. Besonders bevorzugt bildet das jeweilige flüssigkeitsdurchlässige Filterelement einen Abschnitt der Mantelwand des Gehäuses aus, sodass eine einfache, bauraumsparende Integration des Filterelements in die Saugkerze gewährleistet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Sensor durch eine ionenselektive Membran von der in der Sammelkammer befindlichen Flüssigkeit getrennt. Insbesondere ist der Sensor als ionenselektive Elektrode ausgebildet, wie sie beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 298 18 621 U1 beschrieben wurde. Hierdurch ist eine direkte und einfache Bestimmung der lonenkonzentration der in der Sammelkammer befindlichen Flüssigkeit gewährleistet. Optional weist die Saugkerze weitere Sensoren auf, welche zur Auswertung der in der Sammelkammer befindlichen Flüssigkeit vorhanden sind, wie beispielsweise ein Sensor zur Erfassung einer Temperatur der Flüssigkeit, einer elektrischen Leitfähigkeit, einer Trübung, eines Brechungsindex, eines pH-Werts oder dergleichen der Flüssigkeit zu erfassen.
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Insbesondere weist das Gehäuse eine stirnseitige Einführspitze auf, die das Einführen der Saugkerze in das Erdreich erleichtert. Besonders bevorzugt weist die Einführspitze - im Längsschnitt der Saugkerze gesehen - eine Keil- oder Konusform auf, mit einem spitzen Winkel, der das Eintreiben der Saugkerze erleichtert. Alternativ kann die Einführspitze eine gekrümmte Oberfläche aufweisen. Auch andere Formen sind denkbar.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigt die einzige
- Figur eine vorteilhafte Saugkerze in einer vereinfachten Schnittdarstellung.
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Die einzige Figur zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung eine Saugkerze 1, die in einen Boden 2 eingesteckt ist. Die Saugkerze 1 weist ein zylinderförmiges Gehäuse 3 auf, das an einer Stirnseite durch eine Einführspitze 4 verschlossen ist. Die Einführspitze 4 ist dabei im Längsschnitt gesehen spitzwinklig ausgebildet, weist also eine Kegelform auf, welche das Eintreiben der Saugkerze 1 in den Boden 2 vereinfacht.
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Das Gehäuse 3 weist eine nicht vollständig geschlossene Mantelwand 5 auf. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Mantelwand 5 zwei Öffnungen 6 und 7 auf, die in Längserstreckung der Saugkerze 1 beziehungsweise des Gehäuses 3 gesehen beabstandet zueinander angeordnet sind. Dabei ist die Öffnung 6 nahe zu der Einführspitze 4 angeordnet und die Öffnung 7 etwa auf der Hälfte der Längserstreckung des Gehäuses 3. Die jeweilige Öffnung 6, 7 ist dabei durch ein flüssigkeitsdurchlässiges Filterelement 8 beziehungsweise 9 verschlossen, sodass durch die jeweilige Öffnung lediglich Flüssigkeit, nicht jedoch Bodenbestandteile in das Gehäuse 3 eindringen können.
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In dem Gehäuse 3 ist weiterhin eine Sammelkammer 10 ausgebildet oder angeordnet. Die Sammelkammer 10 ist auf der von der Einführspitze 4 abgewandten Seite der Öffnungen 6, 7 angeordnet und durch jeweils eine Leitung 11 beziehungsweise 12 mit der Öffnung 6 beziehungsweise 7 derart verbunden, dass das jeweilige Filterelement 8, 9 im Strömungsweg liegt, sodass nur gefilterte Flüssigkeit beziehungsweise nur Flüssigkeit, insbesondere Bodenwasserwasser, in die Sammelkammer 10 gelangen kann. Beide Leitungen 11, 12 weisen jeweils ein Ventil 13 beziehungsweise 14 auf. Die Ventile 13, 14 sind dazu ausgebildet, den Durchströmungsquerschnitt der jeweiligen Leitung 11, 12 freizugeben oder zu verschließen. Dazu weisen die Ventile 13, 14 bevorzugt jeweils einen elektrisch betreibbaren Aktuator (in der Figur nicht dargestellt) auf, der zum Bedienen der Ventile 13, 14, insbesondere zum Bedienen jeweils eines in der jeweiligen Leitung 11, 12 verlagerbar angeordneten Ventilelements ausgebildet.
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In dem Gehäuse 3 ist weiterhin eine Unterdruckerzeugungseinrichtung 15 angeordnet. Diese weist eine elektrisch antreibbare Pumpe 16 auf, die fluidtechnisch mit der Sammelkammer 10 verbunden ist. Insbesondere ist die Pumpe 16 mit einem Sauganschluss mit der Sammelkammer 10 verbunden, sodass dann, wenn die Pumpe angetrieben wird, in der Sammelkammer 10 ein Unterdruck erzeugt wird, welcher sich in Abhängigkeit von der Schaltstellung der Ventile 13, 14 bis auf die Öffnungen 6, 7 auswirkt. Optional ist die Sammelkammer 10 wahlweise mit dem Sauganschluss oder dem Druckanschluss der Pumpe 16 beziehungsweise der Unterdruckerzeugungseinrichtung 15 verbunden beziehungsweise verbindbar, um in der Sammelkammer 10 bei Bedarf einen Überdruck zu erzeugen.
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Weiterhin weist die Saugkerze 1 einen Sensor 17 auf, der in der Sammelkammer 10 angeordnet ist. Der Sensor 17 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als ionenselektive Elektrode ausgebildet, welche den Ionengehalt beziehungsweise die lonenkonzentration von in der Sammelkammer 10 befindlicher Flüssigkeit erfasst. Optional sind einer oder mehrere weitere Sensoren 18 in der Sammelkammer 10 angeordnet, der beispielsweise zum Erfassen der Temperatur, der elektrischen Leitfähigkeit, die Trübung, des Brechungsindex und/oder eines pH-Werts der in der Sammelkammer befindlichen Flüssigkeit ausgebildet sind.
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Außerdem ist der Sammelkammer 10 ein Drucksensor 19 zugeordnet, mittels dessen der in der Sammelkammer 10 eingestellte Druck überwachbar ist.
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Die Sensoren 17, 18, 19, sowie die Unterdruckerzeugungseinrichtung 15 und die Ventile 13, 14, oder zumindest deren Aktuatoren, sind außerdem mit einer an dem Gehäuse 3 angeordneten Steuereinheit 20 signaltechnisch verbunden, um diese anzusteuern beziehungsweise um die erfassten Daten zu erfassen und auszuwerten. Die Steuereinheit 20 ist außerdem mit einem Kommunikationsmodul 21 verbunden, das vorliegend zur drahtlosen Kommunikation ausgebildet ist. Über das Kommunikationsmodul 21 ist die Steuereinheit 20 in der Lage, die erfassten und ermittelten Daten beispielsweise an eine Basisstation oder einen Mobilcomputer zu senden, und/oder um Steuerbefehle zu erhalten.
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Durch einen Energiespeicher 22 wird außerdem gewährleistet, dass sämtliche elektrische/elektronische Komponenten der Saugkerze 1 mit elektrischer Energie versorgbar sind, sodass ein vollautonomer Betrieb der Saugkerze 1 gewährleistet ist.
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Für das Bestimmen einer Bodenprobe wird zunächst die Saugkerze 1 in den Boden 2, wie in der Figur gezeigt, eingesteckt beziehungsweise eingeschoben, zumindest bis beide Öffnungen 6, 7 in dem Erdreich angeordnet sind. Anschließend wird mittels der Unterdruckerzeugungseinrichtung 15 ein Unterdruck in der Sammelkammer 10 erzeugt und die Ventile 13, 14 derart angesteuert, dass eines der Ventile 13, 14 den Durchströmungsquerschnitt der zugeordneten Leitung 11, 12 freigibt und das andere der Ventile den Durchströmungsquerschnitt der zugeordneten Leitung 11, 12 verschließt. Dadurch ist die Sammelkammer 10 fluidtechnisch nur mit einer der Öffnungen 6, 7 verbunden.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zunächst das Ventil 13 geöffnet und das Ventil 14 geschlossen, sodass die Sammelkammer 10 mit der Öffnung 7 fluidtechnisch verbunden ist. Durch den in der Sammelkammer 10 erzeugten Unterdruck wird Flüssigkeit aus dem Boden 2 durch das Filterelement 9 hindurch in das Gehäuse 3 beziehungsweise in die Leitung 11 und damit in die Sammelkammer 10 gefördert. Dort wird insbesondere mittels des Sensors 17 die lonenkonzentration erfasst und von der Steuereinheit 20 ausgewertet und bevorzugt durch das Kommunikationsmodul 21 an eine Basisstation beziehungsweise an den Benutzer zur Auswertung gesendet.
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Anschließend wird die Unterdruckerzeugungseinrichtung 15 beziehungsweise die Pumpe 16 derart angesteuert und/oder die Sammelkammer 10 mit der Pumpe 16 derart verbunden, dass die Sammelkammer 10 nunmehr saugseitig mit der Pumpe 16 verbunden ist, und durch Antreiben der Pumpe die in der Sammelkammer 10 befindliche Flüssigkeit durch die Leitung 11 und die Öffnung 7 zurück in das Erdreich befördert beziehungsweise getrieben wird.
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Anschließend schließt die Steuereinheit 20 das Ventil 13 und öffnet das Ventil 14, und treibt die Unterdruckerzeugungseinrichtung 15 erneut an, sodass nunmehr Flüssigkeit die Öffnung 6 und das Filterelement 8 in die Sammelkammer 10 gelangt und dort wie zuvor beschrieben untersucht wird. Auch diese Messdaten werden dann durch das Kommunikationsmodul 21 bevorzugt an den Benutzer weitergeleitet. Nach erfolgtem Prüfen der zweiten Bodenprobe wird erneut ein Überdruck in der Sammelkammer 10 erzeugt, durch welchen die Flüssigkeit durch die Leitung 12 und die Öffnung 6 zurück in den Boden 2 getrieben wird.
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Hierdurch ist ein vollautomatisierter Betrieb der Saugkerze 1 zur Entnahme mehrerer Bodenproben gewährleistet. Dadurch ist insbesondere der Nährstoffgehalt des Bodens, insbesondere die Konzentration von Nitrat-Ionen in der Flüssigkeit automatisiert bestimmbar. Darüber hinaus ist das Steuergerät 20 dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von der durch den Drucksensor 19 erfassten Druck in der Sammelkammer 10 die Verfügbarkeit des Bodenwassers zu bestimmen, beispielsweise in der Art eines Tensiometers. Die mit der Saugkerze 1 gesammelten Informationen lassen Rückschlüsse auf die Versorgung der Pflanzen mit Wasser und Nährstoffen zu. Daraus lassen sich insbesondere in Kombination mit weiteren Informationen, wie beispielsweise Wetterdaten, bisher ausgebrachten Düngemengen und vom Feld entnommenen Biomasse Empfehlungen für eine ökonomisch effiziente und ökologisch vertretbare Düngung ableiten.
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Zur Kalibrierung des Sensors 17 beziehungsweise der ionenselektiven Elektrode wird bevorzugt ein Behältnis mit einer Kalibrierlösung bereitgestellt, in welches die Saugkerze 1 nach abgeschlossener Prüfung eingesetzt wird. Durch Öffnen zumindest eines der Ventile 13 oder 14 und Ansteuern der Unterdruckerzeugungseinrichtung 15 ist die Kalibrierflüssigkeit in die Sammelkammer 10 förderbar und dadurch der Sensor 17 auf einfache Art und Weise kalibrierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202005002598 U1 [0002]
- DE 29818621 U1 [0003, 0013]
