DE19625125C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entnahme von Bodenproben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entnahme von Bodenproben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Entnahme von Bodenproben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Sonden zur Entnahme von Bodenproben sind bekannt. So ist aus der DE-OS 21 44 044 eine rohrförmige Sonde bekannt, die zur Entnahme von Bodenproben bis an den Ort der Probenahme eingerammt wird. Die Sonde weist Sperrklappen auf, die sich beim Einrammen der Sonde flach an die Innenwand des Rohres anlegen. Beim Herausziehen der Sonde aus dem Boden spreizen die Sperrklappen von der Innenwand ab und verhindern, daß die in der Sonde enthaltene Bodensäule nach unten aus dem Rohr herausrutscht. Hierdurch soll vor allem auch die Probenahme aus wasserführenden Schichten ermöglicht werden.

Der Nachteil dieser Sonde besteht darin, daß die Entnahme von ungestörten Bodenproben nicht möglich ist, da zwar das Herausrutschen der festen Bestandteile aus der Sonde wei­ testgehend verhindert wird, nicht aber das Abfließen des Wassers.

Weiterhin ist aus der DE 24 35 884 A1 eine Vorrichtung zur Bodenprobenahme bekannt, bei der der Probenraum einer pneumatisch in den Boden gerammten Sonde im unteren Bereich nach der Probenahme durch ein elastisches aufblasbares Element verschlossen wird. Dieses Element befindet sich bis zum Abschluß der Probenahme in einer Ringnut der Innenwand der Sonde und weist die Form eines Toroids auf. Je nach dem Zustand des Bodens soll das aufblasbare Element den Proben­ raum völlig schließen, wenn es sich um lockere und nachgie­ bige Böden handelt, oder es drückt bei relativ dichten Böden die Säulenprobe zusammen und soll dadurch einen Stopfen bilden, der die darüber befindliche Probe hält.

Der Nachteil besteht darin, daß auch mit dieser Vorrichtung kein völliger Verschluß des Probenraumes möglich ist, da es nicht vermeidbar ist, daß sich zwischen den dichtenden Flächen körniges Material befindet. So kann auch bei dieser Verschlußart während des Herausziehens der Sonde Flüssig­ keit aus der Probe entweichen.

Aus der DE 43 28 273 C1 ist weiterhin eine Sonde zur Entnah­ me von ungestörten Bodenproben bekannt, bei dem ein Proben­ raum von einem kegelförmigen Verschlußstück nach unten abgeschlossen ist, dem eine Rammschneide zugeordnet ist. Nachdem die Sonde den Probenort erreicht hat, wird das kegelförmige Verschlußstück entriegelt und beim weiteren Einrammen der Sonde wird das Verschlußstück in den Proben­ raum gedrückt. Das Verschlußstück befindet sich nach Beendi­ gung des Einrammens oberhalb der Bodenprobe im Probenraum. Der Probenraum ist unten nicht verschließbar sondern die Bodenprobe soll während des Herausziehens der Sonde aus dem Boden durch einen zwischen der Rammspitze des Verschluß­ stücks und der Bodenprobe vorgesehenen Unterdruck im Proben­ raum gehalten werden.

Auch diese Sonde weist den Nachteil auf, daß eine mit Flüssigkeit getränkte Probe während des Herausziehens der Sonde nicht im Probenraum gehalten werden kann.

Aus den US 2 915 285, 2 779 195 und 3 447 615 sind Bohrvorrichtungen bzw. Vorrichtungen zur Entnahme von Bodenproben bekannt, bei denen von der Erdoberfläche zum Ort der Probenahme eine Kühlflüssigkeit oder ein Kühlgas ge­ leitet wird, mit deren Hilfe die Probe zumindest teilweise eingefroren wird. Diese Art der Kühlung ist jedoch sehr aufwendig, da ein zusätzliches Kühlaggregat und im Falle eines Gases zusätzlich ein Kompressor vorzusehen ist. Das Kühlmedium muß mehrere Meter von der Erdoberfläche bis zum Ort der Probenahme geleitet werden, wobei die Leitung entweder gut isoliert sein muß oder eine Erwärmung des Kältemediums eintritt. Die Leitung stellt aber in jedem Fall einen weiteren zusätzlichen Aufwand dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, wobei mittels einer Sonde, die einen Probenraum aufweist und in den Boden bis zum Probenort vorgetrieben werden kann, die Entnahme einer ungestörten Bodenprobe ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Bei einem Verfahren zur Entnahme von Bodenproben, insbeson­ dere wäßriger Bodenproben, bei dem eine, einen Probenraum aufweisende Sonde in den Boden eingeführt wird, am vorgese­ henen Ort der Probenahme der Probenraum freigegeben wird und durch weiteres Einschieben der Sonde in den Boden der Probenraum mit der Probe beschickt wird, ist erfindungsge­ mäß vorgesehen, daß die Probe am Ort der Probenahme im Probenraum zumindest teilweise durch eine mittels Elektro­ energie aktivierbare Kühlung durch ein in der Sonde ange­ ordnetes thermoelektriches Element eingefroren wird. Vor­ zugsweise wird der im unteren Bereich des Probenraumes befindliche Teil der Bodenprobe eingefroren. Weiterhin erfolgt das Einfrieren vorzugsweise unter Ausnutzung des Peltiereffektes.

Da die Probe nur im unteren Bereich der Sonde eingefroren wird und der größte Teil der Probe im Probenraum in seinem ursprünglichen Zustand verbleibt, ist der Energieaufwand gering. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, daß infolge des Einfrierens der Probe im unteren Bereich der Sonde die gesamte Probe im ungestörtem Zustand an die Erdoberfläche gefördert werden kann. Bei einer wassergesättigten Probe geht also auch keine Flüssigkeit verloren. Das ist insbeson­ dere bei schadstoffhaltigen Böden von Bedeutung, da das Wasser eine andere und unter Umständen höhere Schadstoffbe­ lastung aufweisen kann, als die festen Bestandteile.

Nach Aufnahme der Probe im Probenraum wird die Kühlung durch Zufuhr von Elektroenergie aktiviert. Nach dem Einfrieren wird die Sonde mit der Probe aus dem Boden gezogen, wobei die Zufuhr der Elektroenergie während dieses Vorganges und des dabei notwendigen Zerlegens eines Gestänges für die Halterung der Sonde aufrecht erhalten wird.

Eine Vorrichtung zur Entnahme von Bodenproben, insbesondere wäßriger Bodenproben, mit einer in den Boden einführbaren, vorzugsweise einrammbaren Sonde, die einen Probenraum aufweist, der am Probenort zu öffnen ist, ist erfindungsge­ mäß dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Probenraumes mindestens ein Peltierelement für das Einfrieren zumindest eines Teils der Bodenprobe in der Sonde angeordnet ist.

Es ist zweckmäßig, daß das Peltierelement einerseits auf einem Kühler angeordnet ist, der den Probenraum umgibt, und daß das Peltierelement andererseits mit einem Wärme ablei­ tenden Bauteil verbunden ist, das den Kühler außen umgibt, wobei der Kühler und das Wärme ableitende Bauteil mit Abstand zueinander angeordnet sind. Zwischen beiden oder zwischen dem Kühler und dem Außenrohr ist eine thermische Isolation vorgesehen. Als solche kann bereits eine zwischen beiden vorhandene Luftschicht dienen. In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, daß der Probenraum oberhalb und unterhalb des Kühlers mit einem Kunststoffrohr ausge­ kleidet ist. Dadurch wird die Einfrierzone vom übrigen Bereich des Probenraumes thermisch entkoppelt.

Mit dieser Anordnung des Peltierelementes wird erreicht, daß durch den Kühler einerseits die Probe in dessen Bereich schnell eingefroren wird und daß durch das Wärme ableitende Bauteil andererseits die Wärme schnell nach außen abgelei­ tet wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Peltier­ elemente ringförmig auf einem Kühlrohr angeordnet und das Wärme ableitende Bauteil ist ebenfalls ringförmig.

Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, daß ein elektrischer Anschluß jedes Peltierelementes an Masse liegt und daß der andere elektrische Anschluß mit mindestens einem Kontakt verbunden ist, der im oberen Abschnitt der Sonde vorgesehen ist, und dem ein elektrischer Schaltkon­ takt zugeordnet ist, der über eine elektrische Zuleitung mit, einer Strom- oder Spannungsquelle verbunden ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Peltierelemente in Reihe geschaltet sind.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung sind als Kontakte Federkontakte vorgesehen, denen ein im wesentlichen zylindrischer Schalt­ kontakt zugeordnet ist, der am Ende der elektrischen Zulei­ tung vorgesehen ist und durch das Gestänge der Probensonde einführbar ist. Es ist zweckmäßig, zwei gegenüberliegende Federkontakte oder drei Federkontakte im gleichen Winkelab­ stand anzuordnen. Die Zuleitung mit dem Schaltkontakt wird vorzugsweise in die Probensonde eingeführt, nachdem diese den Ort der Probenahme erreicht hat. Der Schaltkontakt bleibt auch während des Herausziehens der Sonde aus dem Boden zwischen den Federkontakten, d. h., daß die Energiever­ sorgung während dieser Zeit weiter gewährleistet ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein Kontaktring mit konischer Innenkontur vorgesehen, dem ein Schaltkontakt mit konischer und der Innenkontur des Kontaktringes angepaßter Außenkontur zugeordnet ist. Der jeweilige Konus weist oben einen größeren Durchmesser auf, so daß der an der Zuleitung zur Sonde abgesenkte Schaltkontakt unter der Wirkung der Schwerkraft im Kontaktring arretiert wird.

In der Folge sollen Ausführungsbeispiele der Probenahmevorrichtung sowie der Verfahrensablauf anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Sonde zur Probenah­ me;

Fig. 2 einen Abschnitt der Sonde nach Fig. 2 mit einer durch Einfrieren im Probenraum gehaltenen Probe;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Anordnung von Peltierelementen;

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 3;

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine weitere Anordnung mit Peltierelementen

Fig. 6a-6c eine Darstellung des Verfahrensablaufs.

Eine Sonde 1 für die Entnahme einer Bodenprobe 11 weist ein Außenrohr 2 auf, an dem am unteren Ende eine Rammspitze 3 verschiebbar befestigt ist. Die verschiebbare Befestigung erfolgt in bekannter Weise und ist nur schematisch darge­ stellt. Innerhalb des Außenrohres 2 sind Peltierelemente 4 ringförmig um einen Probenraum 5 der Sonde angeordnet. Oberhalb der Peltierelemente ist das Außenrohr 2 mit einem Kunststoffrohr 6 ausgekleidet. Am oberen Ende der Sonde 1 ist ein Kontaktring 7 vorgesehen, dem ein Schaltkontakt 8 zugeordnet ist, der an einer elektrischen Zuleitung 9 befe­ stigt ist, wie es in den Fig. 6a bis 6c noch deutlicher dargestellt ist. In dieser Ausführungsform sind der Kontakt­ ring 7 und der Schaltkontakt 8 konisch ausgebildet. Der Schaltkontakt wird beim Einführen der Zuleitung 9 in die Sonde 1 durch die Wirkung der Schwerkraft im Kontaktring 7 arretiert. Dieser ist über eine elektrische Leitung 10 mit einem Kontakt der Peltierelemente verbunden. Der andere Kontakt der Peltierelemente liegt an Masse (nicht darge­ stellt). Die Sonde 1 ist mit einem Gestänge 12 (Fig. 6a bis 6c) verbunden, das in bekannter Weise aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist.

Anstelle des Kontaktringes 7 können auch gegenüberliegende Kontaktfedern 7a, 7b vorgesehen sein, wie es in den Fig. 6a bis 6c dargestellt ist.

Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, sind die sechs dort vorgesehenen Peltierelemente 4 einerseits mit einem Kühler 13 und andererseits mit je einem Wärme ableitenden Bauteil 14 verbunden. Die Fig. 3 zeigt die Anordnung der Fig. 4 in einer perspektivischen Ansicht. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist anstelle der einzelnen wärmeableitenden Bauteile 14 ein Wärme ableitender Ring 15 vorgesehen. Zwischen dem Kühler 13 einerseits und dem Außenrohr 2 mit dem Wärme ab­ leitenden Bauteil 14 bzw. dem Wärme ableitenden Ring 15 andererseits ist eine thermische Isolation 16 vorgesehen, die im einfachsten Fall eine Luftschicht sein kann.

Die Sonde wird mittels bekannter Mittel in den Boden ge­ rammt, wobei die Rammspitze 3 die in den Fig. 1 und 2 strichpunktiert gezeichnete Lage aufweist. In dieser Lage kann kein Boden in den Probenraum 5 gelangen. Nachdem der vorgesehene Ort der Probenahme erreicht ist, wird die nicht dargestellte Arretierung der Rammspitze 3 gelöst. Beim weiteren Einrammen der Sonde wird die Rammspitze durch den in den Probenraum eindringenden Boden in den oberen Bereich des Probenraumes verschoben, wie es in den Fig. 1 und 6a dargestellt ist.

Nachdem der Probenraum 5 mit der Bodenprobe 11 ausgefüllt ist, wird die Zuleitung 9 durch das Gestänge 12 in die Sonde eingeführt, wie es in der Fig. 6b dargestellt ist. Unter der Wirkung der Schwerkraft rastet der Schaltkontakt 8 in den Kontakten ein. Dabei wird die Endlage des Schalt­ kontaktes bei Verwendung von Federkontakten 7a, 7b durch die am oberen Ende des Probenraumes anliegende Rammspitze 3 bestimmt. Nach dem Einrasten des Schaltkontaktes 8 in den Kontaktring 7 bzw. die Federkontakte 7a, 7b wird den Peltie­ relementen 4 über ein Steuergerät 17 Elektroenergie zuge­ führt. Mittels der Peltierelemente wird nun am Ort der Probenahme ein gefrosteter Bereich 18 im unteren Teil der im Probenraum 5 befindlichen Bodenprobe 11 erzeugt.

Nach der Erzeugung des eingefrosteten Bereichs 18 kann die Sonde 1 aus dem Boden gezogen werden, ohne daß die Bodenpro­ be 11 in ihrer Zusammensetzung verändert wird. Während des Ausbaus der Sonde und Zerlegens des Gestänges 12 in mehrere Teile, wie es in Fig. 6c dargestellt ist, werden die Pel­ tierelemente weiter mit Elektroenergie versorgt. Erst nachdem sich die Sonde 1 an der Erdoberfläche befindet, wird die Elektroenergie abgeschaltet.

Mit Hilfe dieses Verfahrens und der dargestellten Vorrichtung ist es möglich, ungestörte Bodenproben zu entnehmen, so daß die Meßergebnisse den tatsächlichen Zustand insbesondere von wassergesättigten Böden, z. B. bezüglich der Schadstoffbelastung, wesentlich besser wider­ spiegeln als bisher.

Claims (13)

1. Verfahren zur Entnahme von Bodenproben, insbesonde­ re wäßriger Bodenproben, bei dem eine, einen Proben­ raum aufweisende Sonde in den Boden eingeführt wird, am vorgesehenen Ort der Probenahme der Proben­ raum freigegeben wird und durch weiteres Einschie­ ben der Sonde in den Boden der Probenraum mit der Probe beschickt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenprobe am Ort der Probenahme im Proben­ raum zumindest teilweise durch eine mittels Elek­ troenergie aktivierbare Kühlung durch ein in der Sonde angeordnetes thermoelektrisches Element eingefroren wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im unteren Bereich des Probenraumes befind­ liche Teil der Bodenprobe eingefroren wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Einfrieren unter Ausnutzung des Peltiereffektes erfolgt.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung nach Aufnahme der Probe im Probenraum durch Zufuhr von Elektroenergie aktiviert wird, daß die Sonde nach dem Einfrieren aus dem Boden gezogen wird, wobei die Zufuhr der Elektroenergie während dieses Vorgan­ ges und des dabei notwendigen Zerlegens eines Gestänges für die Halterung der Sonde aufrecht erhalten wird.

5. Vorrichtung zur Entnahme von Bodenproben, insbe­ sondere wäßriger Bodenproben, mit einer in den Boden einführbaren, vorzugsweise einrammbaren Sonde, die einen Probenraum aufweist, der am Pro­ benort zu öffnen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Probenraumes (5) mindestens ein Pel­ tierelement (4) für das Einfrieren zumindest eines Teils der Bodenprobe in der Sonde angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Peltierelement (4) einerseits auf einem Kühler (13) angeordnet ist, der den Proben­ raum (5) umgibt, und daß das Peltierelement (4) an­ dererseits mit einem Wärme ableitenden Bauteil (14, 15) verbunden ist, das den Kühler (13) außen um­ gibt, wobei der Kühler (13) und das Wärme ableiten­ de Bauteil (14, 15) mit Abstand zueinander angeord­ net sind und zwischen diesen oder zwischen dem Kühler (13) und dem Außenrohr (2) eine thermische Isolation (16) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Probenraum oberhalb und unterhalb des Kühlers (13) mit einem Kunststoffrohr (6) ausgeklei­ det ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Peltiere­ lemente (4) ringförmig auf einem rohrförmigen Kühler (13) angeordnet sind und daß das Wärme ablei­ tende Bauteil (15) ebenfalls rohrförmig ist.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Anschluß jedes Peltierelementes (4) an Masse liegt und daß der andere elektrische Anschluß mit minde­ stens einem Kontakt (7, 7a, 7b) verbunden ist, der im oberen Abschnitt der Sonde (1) angeordnet ist, und dem ein elektrischer Schaltkontakt (8) zugeord­ net ist, der über eine elektrische Zuleitung (9) mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Peltierele­ mente (4) in Reihe geschaltet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontakte Federkontakte (7a, 7b) vorgesehen sind, denen ein im wesentlichen zylindrischer Schaltkontakt (8) zu­ geordnet ist, der am Ende der elektrischen Zulei­ tung (9) vorgesehen ist und durch das Gestänge (12) der Sonde (1) einführbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei gegenüberliegende Federkontakte (7a, 7b) oder drei Federkontakte im gleichen Winkelab­ stand vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktring (7) mit konischer Innenkontur vorgesehen ist, dem ein Schaltkontakt (8) mit konischer und der Innen­ kontur des Kontaktringes (7) angepaßter Außenkontur zugeordnet ist.