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Die Erfindung betrifft einen Bodensensor
zur gleichzeitigen Erfassung einer Bodenverdichtung und eines Feuchtegehalts
des Bodens gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, eine Messanordnung mit den Merkmalen der Ansprüche 7 bzw.
11 sowie ein Verfahren zur Messung von Bodenparametern gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 14.
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Die mechanisierte Landbewirtschaftung
führt zu
zunehmend höheren
Fahrzeug- und Maschinengewichten und damit zu einer zunehmenden
Bodenbelastung. Die Bodenbelastung besteht insbesondere in einer
Verdichtung des Erdreichs, die solche Ausmaße annehmen kann, dass der
Pflanzenwuchs sowie die biologische Aktivität im Boden nachhaltig beeinträchtigt ist.
Die daraus resultierenden Ertragseinbußen konterkarieren stellenweise
die durch schlagkräftige
Maschinen erreichten Effizienzsteigerungen.
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Um den Einfluss der mechanisierten
Landbewirtschaftung zu messen, können
bspw. sogenannte Penetrometer eingesetzt werden, die als einfach
zu handhabende Instrumente für
die Beurteilung von Bodenverdichtungen eine relativ breite Anwendung
gefunden haben. Allerdings liefern derartige Penetrometer typischerweise
keine eindeutigen Messwerte, da insbesondere die Abhängigkeit
des Eindringwiderstandes einer Messsonde vom Bodenfeuchtegehalt
eine Einschränkung
der Aussagekraft der Eindringwiderstände über die Bodendichte darstellt.
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Ein System zur Erfassung von chemischen Bestandteilen
eines Bodens mit einer bodenberührenden
Abtasteinrichtung und einer Einrichtung zur Zuführung von Lösungsmittel zur Bodenabtasteinrichtung
ist aus der
EP 0 370
593 B1 bekannt. Der mit dem Lösungsmittel hergestellte Auszug
des Bodens wird mit einer Spannung beaufschlagt, so dass aus einer
Spannungsdifferenz die chemischen Bestandteile des Bodens analysiert
werden können.
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Ein Sensor zur Erfassung einer Bodenfeuchtigkeit
ist weiterhin aus der
US 54 79
104 bekannt. Dort wird eine Schaltung zur Ansteuerung des
elektrischen Sensors sowie der Sensor selbst beschrieben. Der Sensor
erlaubt eine Messung des Bodenwiderstands sowie einer Kapazität mit Hilfe
von in den Boden gedrückten
und als Elektroden verwende ten Messspitzen. Ein Bodenpenetrometer
ist aus der
US 56 63 649 bekannt.
Hier wird die Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung eines
Bodenwiderstandes beschrieben. Schließlich ist ein Sensor zur Erfassung
von Bodenparametern sowie ein entsprechendes Verfahren aus der
US 61 38 590 bekannt.
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Ein Ziel der Erfindung besteht darin,
eine zuverlässige
Bestimmung von Bodenparametern, insbesondere einer Bodenverdichtung
sowie einer Bodenfeuchte zu ermöglichen.
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Dieses Ziel der Erfindung wird mit
einem Sensor gemäß dem unabhängigen Anspruch
1 sowie mit einem Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch
erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den jeweiligen abhängigen
Ansprüchen.
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Ein Sensor zur gleichzeitigen und
ortsgleichen Erfassung einer Bodenverdichtung und eines Feuchtegehalts
des Bodens weist eine Messspitze zur Einführung in ein zu untersuchendes
Erdreich und eine damit verbundene Vorrichtung zur Erfassung eines
Eindringwiderstands auf. Erfindungsgemäß weist die Messspitze einen
Messaufnehmer zur Erfassung eines Feuchtegehalts des untersuchten Erdreichs
auf. Die Messspitze kann wahlweise in vertikaler oder schräger Richtung
in den Boden geschoben werden. Bei Hanglagen ist bspw. auch eine
horizontale Einführrichtung
möglich.
Der erfindungsgemäße Sensor
ermöglicht
die gleichzeitige und ortsgleiche Erfassung des Eindringwiderstands
der Sonde sowie des Feuchtegehalts des Bodens. Mit diesen beiden
erfassten Werten kann dann eine Bodenverdichtung in Echtzeit ermittelt
werden, die einem realen Wert entspricht. Bei einer Messung des
Eindringwiderstands allein würde
eine nur eingeschränkte Aussagekraft über die
Bodenverdichtung zu ermitteln sein, da die Bodenverdichtung nicht
nur vom gemessenen Eindringwiderstand, sondern ebenso vom Feuchtigkeitsgehalt
im Boden abhängt.
Dieser Zusammenhang kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Sensors
in Echtzeit berechnet und berücksichtigt werden.
Die Vorrichtung zur Erfassung des Eindringwiderstands kann insbesondere
eine mit der Messspitze verbundenen Kraftmessdose umfassen. Der Eindringwiderstand
kann wahlweise auch mit kapazitiven oder resistiven Dehnmessstreifen
an der Sonde gemessen werden.
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Der Messaufnehmer zur Erfassung des Feuchtegehalts
des Bodens ist vorzugsweise ein dielektrischer Messaufnehmer, der
eine Messspitze mit einem zum Boden weisenden Kegelabschnitt aus
einem leitfähigen
Material umfasst. Der Kegelabschnitt mit seiner zum Boden weisenden
Spitze kann insbesondere ein Messingkegel o. dgl. sein. Beabstandet zu
dem Kegelabschnitt sowie getrennt von diesem ist oberhalb vom Kegel
an der Sonde ein elektrisch leitfähiger Ring vorgesehen, der
insbesondere ein Messingring sein kann. Die Messspitze kann auf
diese Weise mit einer von einem Oszillator erzeugten hochfrequenten
Spannung beaufschlagt werden und fungiert dabei als Kondensator.
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Eine erfindungsgemäße Messanordnung
mit einem Sensor gemäß einer
der zuvor beschriebenen Ausführungsformen
sieht zusätzlich
eine Vorschubeinrichtung vor, die eine gleichmäßige Einführung der Messspitze in das
zu untersuchende Erdreich ermöglicht.
Vorzugsweise wird die Messspitze mit Hilfe der Vorschubeinrichtung
mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit in das Erdreich eingeführt. Eine
bevorzugte Vorschubgeschwindigkeit kann ca. 30 mm/s betragen. Die
Vorschubeinrichtung kann für
eine Verbesserung der Messbedingungen und für eine möglichst gute Reproduzierbarkeit
der Messergebnisse sorgen, indem die Messbedingungen weitgehend konstant
gehalten werden.
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Weiterhin kann wahlweise eine Tiefenmesseinrichtung
zur Erfassung einer aktuellen Eindringtiefe vorgesehen sein. Die
Tiefenmesseinrichtung ermöglicht
bspw. eine Wiederholbarkeit von Messungen mit definierter Eindringtiefe.
In Zusammenhang mit der Vorschubeinrichtung kann die Tiefenmesseinrichtung
für deren
Abschaltung nach Erreichen einer vorgegebenen Maximaltiefe sorgen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht
eine Kommunikationseinrichtung zur satellitengestützten Lageerfassung
und/oder zur georeferenzierten Speicherung der Messdaten vor. Eine
Satellitennavigationseinrichtung kann für eine exakte Ortung der Messeinrichtung
sorgen. Die gewonnenen Messdaten können somit jeweils mit einer
exakten Lagekoordinate versehen werden, so dass eine Bodenkartierung
mit hoher Genauigkeit ermöglicht
ist. Die Messdaten können
entweder in einem internen Speicher der Messanordnung abgelegt oder
mittels einer Funkübertragung
zu einer zentralen Datenbank übermittelt
werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur gleichzeitigen
und ortsgleichen Erfassung einer Bodenverdichtung und eines Feuchtegehalts
des Bodens sieht eine gleichzeitige Messung eines Eindringwiderstands
einer Messspitze sowie eine Erfassung des Feuchtege halts des untersuchten
Erdreichs auf. Der Eindringwiderstand kann insbesondere mit einer
Kraftmessdose, einer DMS oder dgl. ermittelt werden. Der Feuchtegehalt
des Bodens kann insbesondere mit einem dielektrischen Messaufnehmer
erfasst werden. Der dielektrische Messaufnehmer kann mit einer Hochfrequenz
beaufschlagt werden und wirkt dadurch als Kondensator.
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Vorzugsweise wird die Messspitze
mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit in den Boden geschoben, bspw.
mit ca. 30 mm/s. Es kann vorteilhaft sein, die Eindringtiefe zu
messen und anzuzeigen oder zur Steuerung des Vorschubs der Messspitze
zu verwenden.
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Die gewonnenen Messdaten können mit
Hilfe eines satellitengestützten
Ortungssystems mit einer Standortinformation versehen werden und
bspw. zur Bodenkartierung dienen. Die Messdaten können entweder
in einem internen Speicher der Messanordnung abgelegt und später ausgelesen
oder an eine zentrale Datenbank übermittelt
werden.
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Zur Bestimmung der Bodenfeuchte eignen sich
verschiedene Messmethoden, die die jeweiligen dielektrischen Eigenschaften
des Bodens erfassen. Zwischen der Bodenfeuchte und der Dielektrizität des feuchten
Bodens existiert ein empirisch belegter Zusammenhang. Die bekannten
Messmethoden liefern unter Laborbedingungen hinreichend genaue Ergebnisse;
im Feldeinsatz sind sie jedoch relativ ungenau. Ein wesentlicher
Grund für
die unzuverlässigen Werte
im Feldeinsatz liegt darin, dass die Dielektrizität nicht
nur von der Bodenfeuchte sondern auch von der Bodendichte abhängt. Um
den Einfluss der Bodendichte auszuschließen kann der volumetrische Feuchtegehalt
eingeführt
werden. Wenn auch die Variabilität
der Bodenfeuchte bei verschiedenen Bodenproben durch die Verwendung
des volumetrischen Feuchtegehalts wesentlich eingeschränkt werden kann,
so muss doch das Bodenvolumen der Probe bekannt sein, was nur unter
Laborbedingungen zutrifft. Ein konventioneller Weg der Ermittlung
der Bodendichte ist die Messung des Eindringwiderstands in den Boden
mittels sogenannter Penetrometer. Dieses Verfahren liefert direkte
Ergebnisse als Konusindex, der als Eindringwiderstand bezogen auf
die Querschnittsfläche
eines genormten Kegels einer Messsonde definiert ist und eng korreliert
mit der Bodendichte, aber auch von der Bodenart und dem Bodenfeuchtegehalt
beeinflusst wird. Daraus ergibt sich der Vorschlag, die Bodenfeuchte θ und die
Bodendichte ρ gleichzeitig
und ortsgleich zu messen.
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Der erfindungsgemäße Sensor zur gleichzeitigen
Erfassung der Bodenfeuchte und Bodendichte wird im Folgenden auch
als Hygro-Penetrometer bezeichnet. Das Sensorsystem ist in der Lage,
in Echtzeit ein Signalpaar zu liefern, dass die dielektrischen Eigenschaften
des feuchten Bodens und die mechanischen Eigenschaften des Bodens
als Widerstandskraft gegenüber
dem Eindringen eines Penetrometerkegels wiedergibt.
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Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors
bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt in der Verwendung eines modifizierten Vertikalpenetrometers,
das in Echtzeit eine Kraft als Maß für den Eindringwiderstand sowie
eine Bodenfeuchte am gleichen Messort ermitteln kann. Das hierbei
zur Anwendung kommende dielektrische Messprinzip kann durch einfache
elektronische Standardbauteile realisiert werden. Sogenannte Horizontalpenetrometer
wurden schon vielfältig
untersucht. Sie arbeiten aber nur in einer Tiefe und sind nicht
in der Lage, die Bodendichte als Tiefenprofil anzugeben. Gerade
ein solches Tiefenprofil ist jedoch für landwirtschaftliche Zwecke
von wesentlicher Bedeutung, um die Qualität der Bodenstruktur für das pflanzliche
Wachstum, insbesondere der Wurzeln, messen bzw. erfassen oder beurteilen
zu können.
Ein Tiefenprofil ist auch dann von Bedeutung, wenn bspw. der Verlauf
von Verdichtungen im Boden aufgrund von Befahrung mit schweren Maschinen
erfasst und beurteilt werden soll. Es kann damit bspw. abgeschätzt werden,
bis in welche Tiefe diese Verdichtungen reichen.
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Die Erfassung der gewonnenen Messdaten in
Echtzeit (sog. Realtime) ist von besonderer Bedeutung für die Kartierung
von aktuellen Bodeneigenschaften mit satellitengestützten Ortungsverfahren (sog.
GPS bzw. DGPS) und um damit eine teilflächenspezifische Bodenbearbeitung
durchführen
zu können.
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Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile
der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform hervor, die als
nicht einschränkendes
Beispiel dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt.
In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
erste Variante eines erfindungsgemäßen Sensorsystems in schematischer
Darstellung,
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2 eine
alternative Variante des Sensorsystems gemäß 1,
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3 einen
Aufbau eines dielektrischen Messaufnehmers in schematischer Darstellung,
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4 ein
Ersatzschaltbild des dielektrischen Messaufnehmers,
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5 einen
Zusammenhang zwischen Bodendichte und Signal des dielektrischen
Sensors in einem zweidimensionalen Diagramm und
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6 einen
Zusammenhang zwischen Bodeneindringwiderstand, Bodendichte und volumetrischer
Bodenfeuchte in einer dreidimensionalen Diagrammdarstellung.
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1 zeigt
eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Sensorsystems in schematischer Darstellung.
Das Sensorsystem umfasst einen Sensor 2, der als Bodensonde
ausgestaltet ist. An einem Schaft 4, der typischerweise
aus Kunststoff bestehen kann, ist an einer Unterseite ein dielektrischer
Messaufnehmer 6 angebracht, der in das zu untersuchende
Erdreich eingeschoben werden kann. Die Messspitze des dielektrischen
Messaufnehmers 6 weist einen spitzen Kegelabschnitt 8 mit
nach unten weisender Kegelspitze auf, damit die Bodensonde leicht
in den Boden 12 eindringen kann. Weiterhin ist ein Ring 10 vorgesehen,
der beabstandet zum Kegelabschnitt 8 und oberhalb von diesem
am Schaft 4 angebracht ist. Sowohl Kegelabschnitt 8 wie
auch Ring 10 bestehen aus elektrisch leitendem Material,
bspw. aus Messing. An einem oberen Ende des Schafts 4 ist
ein Kraftaufnehmer 14 vorgesehen, bspw. eine Kraftmessdose
o. dgl. Bei der Kegelspitze handelt es sich um einen genormten Kegel
nach ASAE Standard S. 313/3 1958.
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Das sog. Penetrometer bzw. Vertikalpenetrometer
ist vorzugsweise mit einem elektrischen Antrieb für Eindringbewegungen
in den Boden (vgl. 2)
und einem Kraftaufnehmer 14 ausgestattet. Als Kraftaufnehmer 14 kann
bspw. eine Kraftmessdose mit einem maximalen Messbereich von ca.
500 bis 800 N eingesetzt werden. Eine typische maximale Vertikalbewegung
kann zwischen 400 und 500 mm betragen. Diese wird im folgenden Zusammenhang auch
als Eindringtiefe ΔsE bezeichnet.
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Im Schaft 4 ist ein Koaxialkabel 16 zur
elektrischen Verbindung zwischen dem Messaufnehmer 6 und
dem Kraftaufnehmer 14 vorgesehen. Der Schaft 4 besteht
meist aus Kunststoff und kann einen typischen Durchmesser von ca.
10 mm aufweisen. Eine typische Länge
des Schaftes 4 bis unterhalb den Kraftaufnehmer 14 liegt
bei ca. 450 mm. Der Kegelabschnitt 8 der genormten Messspitze
weist einen Kegelwinkel von 30 Grad auf. Die Länge des Kegelabschnittes 8 beträgt 18,6
mm. Der Abstand vom Boden bis zum Ring 10 kann ca. 21 mm
betragen. Der Ring 10 selbst kann eine Breite von ca. 5
bis 10 mm aufweisen.
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In den meisten Fällen steigt der Eindringwiderstand
mit zunehmenden Gehalt an Schluff und Ton, mit abnehmender Bodenfeuchte,
mit wachsender Tiefe der Eindringung in den Boden und bei steigenden
Bodendichten. Es kann davon ausgegangen werden, dass für einen
ausgewählten
Boden die Signale des dielektrischen Meßaufnehmers und des Kraftaufnehmers
als Funktion dargestellt werden können:
mit S
Dielektrik (θ, ρ) = Ausgangssignal
des dielektrischen Messaufnehmers,
S
Kraft(θ, ρ) = Ausgangssignal
des Kraftaufnehmers.
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Die Koeffizienten a1,
a2 , b0, b2 sind durch Kalibrierung zu bestimmen und
es gilt: a1 ≠ a2 ≠ 0,
b1 ≠ b2 ≠ 0.
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Das bedeutet, dass die Ausgangssignale beider
Messaufnehmer vom Feuchtegehalt (θ) und von der Bodendichte (ρ) abhängen. Die
Messmethode wird somit durch die Interpretation des Wertepaares
für den
Feuchtegehalt und die Bodendichte mit höherer Genauigkeit charakterisiert.
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2 zeigt
eine alternative Variante der erfindungsgemäßen Messanordnung, die eine
zusätzliche
Vorschubeinrichtung 22 zur gleichmäßigen Einführung der Messspitze 6 des
Sensors 2 in das Erdreich 12. Eine bevorzugte
Vorschubgeschwindigkeit vE kann bspw. bei
ca. 30 mm/s liegen. Die konstante Vorschub- bzw. Eindringgeschwindigkeit
vE kann für eine gute Reproduzierbarkeit
der Messergebnisse bei unterschiedlichen Messungen sorgen. Eine
mit der Vorschubeinrichtung 22 gekoppelte Steuereinrichtung 23 kann
für eine
variable Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit vE sowie
für eine
Steuerung der Vorschubbewegung des Sensors 2 während der Messung
sorgen.
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Weiterhin zeigt die Variante der 2 eine optionale Tiefenmesseinrichtung 24,
die eine Eindringtiefe ΔsE permanent erfassen und ggf. an die Steuereinrichtung 23 übermitteln
kann. Die Steuereinrichtung 23 kann ggf. für eine Abschaltung
der Vorschubbewegung nach Erreichen einer zuvor definierten Eindringtiefe
sE sorgen. Die Abtastung der Eindringtiefe ΔsE kann in vorteilhafter Weise mittels eines
optischen Messaufnehmers erfolgen. Vorzugsweise ist auch die Kraftaufnehmer 14 mit
der Steuereinrichtung 23 gekoppelt, so dass dort die gesamten Mess-
und Steuerdaten gesammelt bzw. an die Komponenten der Messanordnung übergeben
werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
kann eine Kommunikationseinrichtung 26 vorsehen, die eine
satellitengestützte
Lageerfassung und/oder eine georeferenzierte Speicherung der Messdaten
ermöglicht.
Die Messdaten können
wahlweise in einem internen Speicher der Messanordnung abgelegt
oder mit Hilfe der Kommunikationseinrichtung 26 an eine zentrale
Datenbank übermittelt
werden, vorzugsweise mit einer Funkdatenübertragung. Vorzugsweise ist auch
die optionale Kommunikationseinrichtung 26 mit der Steuereinrichtung 23 gekoppelt.
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3 verdeutlicht
in schematischer Form den Aufbau des dielektrischen Messaufnehmers 6, der
ein typisches Gewicht von ca. 110 g haben kann und in den Penetrometerstab
integriert ist. Der dielektrische Messaufnehmer 6 basiert
auf dem Prinzip der Impedanzmessung mit einer Sonde, deren Messergebnisse
von den physikalischen Abmessungen der Sonde und von der Bodenfeuchte
abhängen.
Der Messingring 10 und der Messingkegel 8 am Ende des Penetrometerstabes
stellen die beiden Elektroden eines Kondensators dar. Die Impedanz
des Kondensators reagiert, wenn sich die Bodenfeuchte oder die Bodendichte
in der Umgebung der Elektroden ändert.
Durch Kalibrierung mit Bodenproben verschiedener Bodenarten, Bodendichten
und Bodenfeuchtegehalte können
die Eigenschaften des Messprinzips ermittelt werden.
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Ein Hochfrequenzoszillator 20 erzeugt
eine hochfrequente Spannung von mehreren Megahertz. Die Wellendetektoren 18 erfassen
die vom Messaufnehmer 6 mit Hilfe eines Schwingkreises
aus Kondensator CP und Widerstand RP (vgl. das Ersatzschaltbild der 4) beeinflussten Spannungen.
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Um einen Fehlereinfluss, der von
der Ausgangsimpedanz des Oszillators ausgeht, zu eliminieren, wird
eine zusätzliche
Impedanz Z
0 eingeführt. Die Impedanz der Probe,
die in
3 mit Z
P dargestellt ist, kann dann mit Gleichung
6 bestimmt werden:
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Dabei ist:
Up:
Ausgangsspannung des Wellendetektors bezogen auf den Punkt a und
U0: Ausgangsspannung des Wellendetektors bezogen
auf den Punkt b.
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Da ein möglicher Salzgehalt im Bodenwasser
die dielektrischen Eigenschaften der Probe direkt beeinflusst, empfiehlt
sich eine Messfrequenz von mehr als 30 MHz. Eine typische sinnvolle
Messfrequenz kann bspw. bei ca. 100 MHz liegen.
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5 zeigt
eine Kurvenschar für
verschiedene Bodendichten, welche die Abhängigkeit zwischen der volumetrischen
Bodenfeuchte und dem Sensorsignal des dielektrischen Messaufnehmers
angeben. An der Abszisse ist der volumetrische Feuchtegehalt in
Prozent und an der Ordinate ein Sensorausgangssignal (in mV) aufgetragen.
Dieses Sensorausgangssignal liefert einen Wert für die Eindringkraft in N. Zur Versuchsdurchführung wurden
Bodenproben mit verschiedenen volumetrischen Feuchten in sieben
zylindrische Kunststoffbehälter
in einen Bereich zwischen 0 und 42,5 m3 m–3.
D.h. es wurde ein Bereich der Feuchte zwischen absolut trockenem
und gesättigtem
Feuchtezustand gemessen. Die Behälter
hatten eine Höhe
von 400 mm und einen Durchmesser von 340 mm. Die Bodenproben sind
als toniger Lehm und mit der Textur Ton 34%, Schluff 43% und Sand
11 % anzusprechen.
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6 zeigt
ein weiteres Ergebnis der Gesamtuntersuchungen in Form eines dreidimensionalen
Kurvenverlaufs für
die Abhängigkeit
zwischen der volumetrischen Bodenfeuchte, der Bodendichte und dem
Eindringwiderstand für
den ausgewählten
Bodenwiderstand. Die vertikale Achse zeigt den Konusindex (in Mpa).
Die parallel zur Zeichnungsebene liegende horizontale Achse zeigt
die Bodendichte (in Mg m–3). Die aus der Zeichnungsebene
weisende Achse zeigt den volumetrischen Feuchtegehalt ρ (in m3 m–3). Aus der Darstellung
kann entnommen werden, dass der Verlauf des Eindringwiderstandes
mit den theoretischen Überlegungen übereinstimmt.
Andererseits tritt der Maximalwert des Eindringwiderstandes nicht
immer bei der trockensten Probe auf.
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Der Einfluss des Feuchtegehalts auf
die Bodendichte müsste
berücksichtigt
werden und die rheologische Interaktion zwischen dem Boden und der Konusoberfläche des
Penetrometers ändert
sich signifikant, wenn entweder der Feuchtegehalt oder die Bodendichte
(in trockenem Zustand) sich ändern.
Es muss deshalb davon ausgegangen werden, dass der Eindringwiderstand
gemessen als Konusindex in vielen verschiedenen Kombinationen von
Kohäsion
und Reibung sich wiederfinden lässt.
