DE202015000747U1 - N-fertilizer control by in-situ nitrate measurement, demand calculation and N-dosage unit - Google Patents
N-fertilizer control by in-situ nitrate measurement, demand calculation and N-dosage unit Download PDFInfo
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Abstract
N-Düngesteuerung mittels in-situ Nitrat-Messung, Bedarfsberechnung und N-Dosiereinheit („NITROM”), dadurch gekennzeichnet, dass in situ Bodenlösung mit Saugkerzen durch einen angelegten Unterdruck mit Vakuumpumpe oder Vakuumreservoir gewonnen und mit geringer zeitlicher Verzögerung durch eine Messzelle geleitet wird. In der Messzelle wird mit UV-Spektrometrie mit Xenon-Lichtquelle die Absorption der Bodenlösung zwischen 200–300 nm erfasst (Mess-Modul). Die Spektralinformation wird durch Kalibrierung und spektralanalytische Eliminierung der Interferenzen durch Störstoffe, insbesondere gelöste organische Stoffgemische, mittels einer Software automatisch auf Nitrat analysiert. Diese Nitrat-Konzentrationsmesswerte werden übertragen und in einer weiteren Software umgerechnet, mit sorten- und entwicklungsspezifischen Düngebedarfsdaten verglichen und die benötigten Düngemengen berechnet (zentraler Dünge-Rechner). Diese benötigten Düngemengedaten werden an ein Düngemodul übertragen, das über eine Durchflusskontrolle in einer bereits vorhanden, automatischen Bewässerung und ein Durchflussregelventil an einem Düngevorrat die zuvor berechneten Düngemengen über die automatische Bewässerung mit der berechneten Düngemenge an die Kulturpflanzen bringt.N-fertilizer control by means of in-situ nitrate measurement, demand calculation and N-metering unit ("NITROM"), characterized in that obtained in situ soil solution with suction cups by an applied negative pressure with vacuum pump or vacuum reservoir and passed with little time delay through a measuring cell , In the measuring cell, the absorption of the soil solution between 200-300 nm is recorded by UV spectrometry with xenon light source (measuring module). The spectral information is automatically analyzed for nitrate by calibration and spectroscopic elimination of interference from interfering substances, in particular dissolved organic mixtures. These nitrate concentration measured values are transferred and converted in another software, compared with variety-specific and development-specific fertilizer requirements and the required fertilizer quantities are calculated (central fertilizer calculator). These required fertilizer data are transferred to a fertilizer module, which via a flow control in an already existing automatic irrigation and a flow control valve on a fertilizer supply brings the previously calculated fertilizer quantities via the automatic irrigation with the calculated fertilizer amount to the crops.
Description
1 Technisches Gebiet1 technical area
Die Stickstoff(N)-Düngung im bewässerten Anbau von Kulturpflanzen, insbesondere im intensiven Gemüsebau erfolgt entweder ungesteuert durch pauschale Gaben (feste Dünger) oder gesteuert zusammen mit dem Bewässerungswasser (Fertigation mit Flüssigdünger aus einem Vorratstank). Stickstoff (N), meist als Nitrat in der Fertigation zugegeben, ist der Hauptnährstoff, der den Landwirten die größten Kosten verursacht. N-Überdüngung führt zu unnötigen Kosten und erheblichen Umweltschäden, im Gemüsebau teilweise auch zu minderer Qualität. N-Unterdüngung (Mangel) führt zu Ertragseinbußen und Qualitätsverlusten, die insbesondere im Gemüsebau häufig zur Unverkäuflichkeit der Ernte führen. N wird weit überwiegend als Nitrat gelöst im Bodenwasser von den Pflanzenwurzeln aufgenommen. Ein N-Mangel ist also durch zu geringe Konzentrationen von N in der Bodenlösung verursacht.Nitrogen (N) fertilization in the irrigated cultivation of crops, especially in intensive vegetable production is either uncontrolled by blanket donations (solid fertilizer) or controlled together with the irrigation water (Fertigation with liquid fertilizer from a storage tank). Nitrogen (N), most commonly added as nitrate in fertigation, is the major nutrient that costs farmers the most. N overfertilization leads to unnecessary costs and considerable environmental damage, in vegetable production sometimes also to inferior quality. N-underfertilization (deficiency) leads to loss of yield and quality losses, which often lead to the unsaleability of the harvest, especially in vegetable production. N is largely absorbed as nitrate dissolved in the soil water from the plant roots. An N deficiency is thus caused by too low concentrations of N in the soil solution.
2 Stand der Technik2 State of the art
Nach dem Stand der Technik wird die Zudosierung der N-Düngung bei der Fertigation manuell, nach Zeitintervall, nach Lichtsumme, nach Bewässerungsmenge oder sehr selten nach Blattgrünmessung der Pflanzen (Chlorophyllgehalt) gesteuert. Dabei kann die manuelle Steuerung auf Messungen der N-Gehalte im Boden basieren. Diese Messungen beruhen, wenn sie direkt vor Ort gemacht werden, immer auf Verfahren, bei denen die Zugabe von Chemikalien nötig ist oder bei denen Chemikalien in Form von Teststäbchen bereits vorgegeben sind. Dazu ist immer eine vor Ort befindliche Person zur N-Bestimmung nötig.According to the prior art, the dosage of N-fertilization in fertigation is controlled manually, by time interval, by amount of light, by amount of irrigation or very rarely by leaf green measurement of the plants (chlorophyll content). The manual control can be based on measurements of the N-contents in the soil. These measurements, when made on-site, are always based on procedures that require the addition of chemicals or that already have chemicals in the form of test strips. This always requires an on-site person for N-determination.
Am häufigsten werden jedoch Proben von Bodenmaterial, z. B. mit Erdbohrer, oder Bodenwasser, z. B. mittels Saugkerzen, entnommen, die in das Labor gebracht und dort analysiert werden. Hierdurch kommt es zu einem mindestens 1-tägigen Versatz zwischen Probenahme + Messung und manueller Nachdüngung.Most commonly, however, samples of soil material, eg. B. with auger, or soil water, z. B. by means of suction cups, removed, which are brought to the laboratory and analyzed there. This results in an offset of at least 1 day between sampling + measurement and manual re-fertilization.
Die bisherigen Fertigationsverfahren sind daher
- a) nicht vollautomatisch
- b) beruhen nicht oder nur mit Zeitverzug auf dem verfügbaren N-Gehalt der Böden oder der N-Bodenwasserkonzentration
- c) können daraus keinen aktuellen Düngebedarf ableiten und
- d) diesen in einen Düngersteuerungsbefehl umsetzen.
- a) not fully automatic
- b) are not or only with a time delay based on the available N-content of the soil or the N-groundwater concentration
- c) can not derive any current fertilising requirements and
- d) convert it into a fertilizer control command.
Die bisherigen Nitrat-Messverfahren sind bisher
- a) nicht kontinuierlich in situ möglich
- b) nicht chemikalienfrei oder fehlerhaft in Anwesenheit von natürlichen, gelösten organischen Substanzen im Wasser.
- a) not possible continuously in situ
- b) not free of chemicals or defective in the presence of natural, dissolved organic substances in the water.
3 Problem3 problem
Der in Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, vollautomatisch Bodenwasserproben zu entnehmen, diese chemikalienfrei und ohne oder mit geringem Zeitverzug vor Ort auf Nitrat zu messen, die Messung zu verarbeiten, in einen N-Düngebedarf umzurechnen und diesen in die bedarfsgerechte Steuerung der Düngung/Fertigation umzusetzen.The protection specified in claim 1 invention is based on the problem fully automatically remove soil water samples, these chemicals and without or with little delay on site to measure nitrate, to process the measurement, to convert into a N-fertilizer requirement and this in the needs-based control of fertilization / Fertigation implement.
4 Lösung/Erfindung4 solution / invention
Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Mit der Erfindung wird erreicht, dass nach einer Eich- und Kalibrierphase die Fertigation basierend auf den aktuell gemessenen Nitrat-Konzentrationen der Bodenlösung optimal und vollständig automatisch gesteuert wird.This problem is solved with the features listed in the protection claim 1. With the invention it is achieved that after a calibration and calibration phase the fertigation is controlled optimally and completely automatically based on the currently measured nitrate concentrations of the soil solution.
Dies geschieht mit mehreren Teillösungen mit einem Messmodul, einer Düngeberechnungssoftware und einem Düngemodul. Zunächst wird im Messmodul das pflanzenverfügbare Bodenwasser in situ gesammelt und unmittelbar durch eine Messzelle gesaugt. In der Messzelle wird spektroskopisch und chemikalienfrei die Nitrat-Konzentration bestimmt. Dazu werden spektroskopische Interferenzen durch Störstoffe, insbesondere gelöste organische Verbindungen, durch Spektralanalyse rechnerisch eliminiert. Die berechnete Nitratkonzentration wird in der Düngeberechnungssoftware mit der in einer kulturspezifischen Datenbank hinterlegten und vom Entwicklungsstadium der Kultur abhängigen Bedarfsmenge verglichen. Wird ein Bedarf berechnet, wird dieser an das Düngemodul übermittelt, das als Plug-in in einem konventionellen Fertigationssystem sitzt und die Zudosierung des flüssigen Düngers in das Bewässerungswasser übernimmt.This is done with several partial solutions with a measuring module, a fertilizer calculation software and a fertilizer module. First, the plant-available soil water is collected in situ in the measuring module and sucked directly through a measuring cell. In the measuring cell, the nitrate concentration is determined spectroscopically and without chemicals. For this purpose, spectroscopic interferences by impurities, in particular dissolved organic compounds, are computationally eliminated by spectral analysis. The calculated nitrate concentration is compared in the fertilizer calculation software with the requirement quantity stored in a culture-specific database and dependent on the developmental stage of the culture. When a demand is calculated, it is sent to the fertilizer module, which sits as a plug-in in a conventional fertigation system and replenishes the liquid fertilizer into the irrigation water.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der
Mit einer oder mehreren Saugkerzen (
With one or more suction cups (
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 9 dargestellt. Eine Saugkerze mit 0,45 μm-Membran ermöglicht die Ausfilterung von Mikroorganismen und verhindert somit den Abbau des Nitrats im Messbereich durch Mikroorganismen.An advantageous embodiment of the invention is shown in
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 2 dargestellt. Mehrere Saugkerzen, deren Bodenlösung parallel oder sequentiell gemessen wird, vermeiden das Problem, dass ein Messpunkt nicht repräsentativ für die Bewässerungsfläche sein könnte und zu Fehldüngung führt.An advantageous embodiment of the invention is shown in
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 5 dargestellt. Statt einer Xenon-Lichtquelle können auch Dioden oder Laser mit einzelnen Emissionswellenlängen von 230 nm bis 260 nm eingesetzt werden. Dadurch wird der Energiebedarf nochmals gesenkt.An advantageous embodiment of the invention is shown in
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 10 dargestellt. Die Energieversorgung kann durch 12 V-Stromquellen wie Solarpanele oder Batterien erfolgen, um die Düngesteuerung auch autark an entlegenen Standorten einsetzen zu können.An advantageous embodiment of the invention is shown in
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 4 dargestellt. Die Spektrometer-Einheit kann mit der Berechnungssoftware einzeln oder in Kombination mit Saugkerzen durch die Eliminierung der Interferenzen zur Nitrat-Messung unabhängig von einer Düngersteuerung benutzt werden.An advantageous embodiment of the invention is shown in
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 14 dargestellt. Die Spektrometer-Einheit kann mit der Berechnungssoftware einzeln oder in Kombination mit Saugkerzen durch die Quantifizierung der Interferenzen und Eliminierung des Nitrat-Signals aus den Spektren im Umkehrschluss nach entsprechender Kalibrier- und Eichphase auch zur Quantifizierung von gelösten organischen Substanzen als Summenparameter unabhängig von einer Düngersteuerung benutzt werden. Die Messung dieser Verbindungen war bisher ebenfalls zeitlich aufgelöst nicht möglich.An advantageous embodiment of the invention is shown in protection claim 14. The spectrometer unit can be used with the calculation software individually or in combination with suction candles by quantifying the interference and eliminating the nitrate signal from the spectra in reverse after appropriate calibration and calibration phase also for the quantification of dissolved organic substances as a sum parameter independent of a fertilizer control become. The measurement of these compounds was previously also not resolved in time.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 6 dargestellt. Die Datenverbindung Mess-Modul, Dünge-Rechner und Dünge-Modul kann je nach Infrastruktur per LAN, WLAN, Funk, Mobiltelefonie erfolgen.An advantageous embodiment of the invention is shown in
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 11 dargestellt. Bei entsprechender Standardisierung ist für einfache Anwendungen nur die Kommunikation zwischen Mess- und Düngemodul notwendig. Ein Düngerechner entfällt.An advantageous embodiment of the invention is shown in
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 12 dargestellt. Die Software zur Berechnung der Nitrat-Konzentration eliminiert die Interferenzen mit den Messwerten der Kalibrier- und Eichphase mit polynomialer multipler Regression aus 3 oder mehr Wellenlängen.An advantageous embodiment of the invention is shown in
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Schutzanspruch 13 dargestellt. Die Software zur Berechnung der Nitrat-Konzentration eliminiert die Interferenzen mit den Messwerten der Kalibrier- und Eichphase mit linearer oder nicht-linearer Spektralanalyse aus 3 oder mehr Wellenlängen.An advantageous embodiment of the invention is shown in protection claim 13. Nitrate concentration calculation software eliminates interference with calibration and calibration phase measurements with linear or non-linear spectral analysis of 3 or more wavelengths.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- SaugkerzeSuction cup
- 22
- UV-SpektrometerUV spectrometer
- 33
- Vakuumpumpevacuum pump
- 44
- Abfallflaschewaste bottle
- 55
- Messmodul (Microcontroller GPRS-Modem)Measuring module (microcontroller GPRS modem)
- 66
- Datenübertragungdata transfer
- 77
- Düngerechnerfertilizing machine
- 88th
- Düngemodul (Microcontroller GPRS-Modem)Fertilizer module (microcontroller GPRS modem)
- 99
- DurchflusssensorFlow Sensor
- 1010
- DurchflussregelventilFlow control valve
- 1111
- Düngevorratfertilising stock
- 1212
- automatische Bewässerungautomatic watering
Claims (14)
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2015
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20150611 |
|
| R163 | Identified publications notified | ||
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |