DE4107537A1 - Geraet zur entnahme von bodenproben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Entnahme von Bodenproben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Überdüngung des Bodens landwirtschaftlicher Nutzflächen und die damit verbundene Belastung der Gewässer wird in letzter Zeit zunehmend in der Öffentlichkeit diskutiert. Die landwirtschaftlichen Betriebe gehen in immer größerem Maße dazu über, regelmäßig Bodenuntersuchungen durchzufüh­ ren. Durch die Untersuchung auf Nährstoffe und einen Wech­ sel der Anbauprodukte läßt sich die Düngung optimieren und eine Auslaugung des Bodens vermeiden. Es läßt sich fest­ stellen, ob die Bodenstruktur intakt, der Boden gut durch­ lüftet ist und ob der Boden einen ausreichenden Anteil an Humus enthält.

Aus der PCT-Anmeldung WO 90/09 508 ist ein gattungsgemäßes Gerät zur Entnahme von Bodenproben bekannt, das entweder als Handbohrstock zum Eintreiben von Hand oder als Zusatz­ einrichtung eines hydraulischen Handhabungsgeräts verwendet werden kann. Die entnommenen Bodenproben werden in einem Behältnis zur weiteren Analyse an ein Prüflabor verschickt, in dem an der Bodenprobe eine Vielzahl unterschiedlicher Analysen durchgeführt werden.

Da jedoch derartig aufwendige Prüfverfahren nur in relativ wenigen Großlaboratorien durchgeführt werden können, deren Analysekapazität in der Regel ausgelastet ist, muß der Pro­ bennehmer oftmals über Gebühr lange auf das Ergebnis der Bodenuntersuchung warten.

Darüberhinaus besteht die Gefahr, daß die Proben durch den Transport und die Lagerung im Labor in ihren Eigenschaften verfälscht werden.

Es sind daher Bestrebungen im Gange, bereits am Ort der Bo­ denentnahme die wichtigsten Bodenzustandsparameter zu er­ fassen und auszuwerten, so daß bei außerhalb der vorgegebe­ nen Werte liegenden Untersuchungsergebnissen umgehend Ge­ genmaßnahmen - bspw. durch entsprechende Düngung - getrof­ fen werden können. Dabei werden zusätzlich zur Entnahme der Bodenproben gesonderte Untersuchungen des Bodens zur Analy­ se bestimmter Zustandsparameter durchgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsge­ mäße Gerät zur Entnahme von Bodenproben derart weiter­ zubilden, daß die Erfassung zumindest des wichtigsten Bo­ denzustandsparameters am Ort der Probenentnahme ermöglicht ist.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird ein Gerät zur Ent­ nahme von Bodenproben geschaffen, mit dem durch einen Arbeitsgang einerseits eine Bodenprobe zur Weiterver­ arbeitung in einem Laboratorium entnommen wird und andererseits während der Probenentnahme on-Line die wich­ tigsten Bodenzustandsparameter bestimmbar sind. Im Ver­ gleich zur herkömmlichen Vorgehensweise, bei der parallel zur Entnahme von Bodenproben mehrere gesonderte Zusatz­ geräte - wie bspw. ein Penetrometer zur Erfassung des Eintreibwiderstands - bereitgestellt werden müssen, ist mit dem erfindungsgemäßen Gerät eine wesentlich schnellere Bo­ denanalyse mit erheblich verringertem apparativen Aufwand ermöglicht.

Eine besonders unverfälschte Probenentnahme ermöglichen die in der WO 90/09 508 vorgestellten Bauarten von Geräten zur Entnahme von Bodenproben, bei denen die Meßwertaufnehmer gemäß den Patentansprüchen 3 und 4 in einem Bereich ange­ ordnet sind, in dem sie Anlagekontakt mit der Bodenprobe oder dem umliegenden Bodenabschnitt haben.

Durch die Verwendung einer Abstandshülse, in der ein oder mehrere Meßwertaufnehmer angeordnet sind, läßt sich der Er­ findungsgegenstand auf einfache Weise an unterschiedliche Analyseverfahren mit wechselnden Meßaufnehmern anpassen.

Mit der Weiterbildung gemäß Patentanspruch 6 kann das Gerät zur Entnahme von Bodenproben die Funktion eines Penetro­ meters zur Messung des Eintreibwiderstands übernehmen.

Vorteilhafterweise werden die elektrischen Zuleitungen in Längsnuten des Rohrmantels aus der Sonde heraus, bspw. zu einer Auswerteinheit geführt.

In vielen Anwendungsfällen wird der Erfindungsgegenstand in Verbindung mit einer hydraulisch unterstützten Einrichtung betrieben, wobei ein Klinkenmechanismus gemäß den Pa­ tentansprüchen 10 und 11 in Verbindung mit einer Gelenkman­ schette aus Patentanspruch 6 einen besonders einfachen Zu­ gang zum Durchgangskanal der Sonde - bspw. zur Auswechslung und Wartung der Meßwertaufnehmer - ermöglichen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand schematischer Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung eines von einem Traktor getragenen Geräts zur Entnahme von Bodenproben;

Fig. 2 eine teilweise Schnittdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Sonde und

Fig. 3 eine Detailansicht des Fußendes einer Sonde.

Wie eingangs beschrieben, kann das erfindungsgemäße Gerät zur Entnahme von Bodenproben sowohl als Handbohrstock als auch in Verbindung mit einem Handhabungsgerät, das bspw. über ein eigenes Hydrauliksystem verfügt, betrieben werden. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Systems be­ schrieben, das zur automatisierten Entnahme von Bodenproben geeignet ist. Bei dem Erfindungsgegenstand handelt es sich um eine Weiterentwicklung der aus der WO 90/09 508 bekannten Einrichtung, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die detaillierte Beschreibung dieses bekannten Gerätes mit seinen unterschiedlichen Ausführungsformen verzichtet wird und diesbezüglich auf die Offenbarung der WO 90/09 508 ver­ wiesen sei.

Gemäß Fig. 1 ist das Gerät zur Entnahme von Bodenproben mit einer Sonde 1 an einem geländegängigen Fahrzeug 3 befe­ stigt. Dieses hat eine Handhabungseinrichtung mit einem doppelt wirkenden Hydraulikzylinder 4 mit eigener Hydrau­ likanlage und Stromversorgung (hier nicht gezeigt), der mit der Sonde 1 operativ verbunden ist, und mittels dessen die Sonde 1 in eine gewünschte Tiefe in den Boden eintreibbar und wieder herausziehbar ist. Das Fußende der Sonde 1 ist über eine Gelenkmanschette 25 am Kopfende der Sonde 1 ange­ lenkt, so daß das Fußende zur Entnahme der Bodenprobe um ca. 90° in eine Horizontalstellung verschwenkbar ist. Zur Erfassung von Bodenzustandsparametern sind an der Sonde 1 Meßwertaufnehmer 90, 110 angeordnet, die mit einer Auswer­ teeinheit 92 des Fahrzeugs verbunden sind und eine Online- Erfassung der Bodenzustandsparameter ermöglichen.

Die Sonde 1 hat gemäß den Fig. 2 und 3 einen zylindrischen Rohrmantel 9, dessen Fußende mit einer auswechselbaren Spitze 10 verschraubt ist. Die Außenmantelfläche der Spitze 10 ist doppelkonusförmig ausgebildet, so daß sie sich zum Fuß- und Kopfende hin verjüngt und mit einem Umfangsab­ schnitt radial über den Außendurchmesser des Rohrmantels 9 übersteht. Die Spitze 10 und der Rohrmantel 9 sind vom Durchgangskanal 12 durchsetzt, der in einen Öffnungsquer­ schnitt der Spitze 10 mündet. Um einen Stau des Probenkör­ pers 7 durch Reibung an der Umfangsfläche des Durchgangska­ nals 12 zu verhindern, ist der Durchgangskanal 12 in einem vorbestimmten Abstand zum Öffnungsquerschnitt über eine Ra­ dialschulter 15 erweitert. Zur Vergleichmäßigung des Fließens des Probenkörpers 7 im Durchgangskanal 12 ist die näher an der Sondenachse angeordnete Umfangskante 16 der Radialschulter 15 abgerundet. Im gezeigten Ausführungs­ beispiel ist der Rohrmantel 9 auf einen Montageabschnitt 17 (siehe Fig. 3) der Spitze 10 aufgeschraubt, wobei durch den Endabschnitt des Montageabschnitts 17 eine weitere Ra­ dialschulter 114 ausgebildet ist, über die der Durchgangs­ kanal 12 zum Kopfende der Sonde 1 hin erweitert ist. Im Be­ reich des Montageabschnitts 17 sind als Rückschlageinrich­ tung zwei einander diametral gegenüberliegende Federdrähte 23 befestigt, die zum Kopfende der Sonde 1 hin bogenförmig nach innen gekrümmt in den Durchgangskanal 12 ragen.

An der Radialschulter 114 ist eine Abstandshülse 19 abge­ stützt, deren innere Umfangsfläche sich an den Durchgangs­ kanal 12 in der Spitze 10 anschließt. Die Abstandshülse 19 bildet ihrerseits einen Axialanschlag für eine untere Hülse 20, auf der sich eine obere Hülse 21 abstützt. Durch die übereinander angeordneten Hülsen 20 und 21 können mit einem Sondeneinstich Bodenproben aus zwei übereinanderliegenden Bodenschichten entnommen werden, wobei die Hülsen 20 und 21 als Behältnis zur Aufbewahrung der Bodenproben dienen. Mit­ tels der Abstandshülse 19 läßt sich die Innenlänge der Sonde 1 an verschiedene Hülsenlängen anpassen. In der Man­ telfläche der Abstandshülse 19 sind ein oder mehrere Meßwertaufnehmer 90 befestigt, deren Meßkopf 91 in den Durchgangskanal 12 ragt oder auch bündig mit der inneren Umfangsfläche der Abstandshülse 19 abschließen kann. Vor­ zugsweise ist die Lage des Meßkopfs 91 derart gewählt, daß der in Anlage an den Außenumfang des Probenkörpers (siehe Fig. 2) bringbar ist. Da sich die Abstandshülse 19 bei abgeschraubter Spitze 10 oder verschwenkter Gelenk­ manschette 25 und entnommenen Hülsen 20 und 21 auf einfache Weise auswechseln läßt, kann die Sonde 1 in Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen sehr schnell mit verschiedenen Meßwertaufnehmern 90 bestückt werden.

Selbstverständlich können die Meßwertaufnehmer 90 auch an anderen geeigneten Positionen am Sondenkörper angeordnet sein. So bietet der Durchgangskanal 12 der Spitze 10 (Posi­ tionen A, B) oder der Außenumfang der Spitze 10 (Position C) genügend Raum, um einen sich mit dem Erdreich oder dem Probenkörper in Kontakt bringbaren Meßwertaufnehmer 90 anzuordnen.

Die elektrischen Zuleitungen (nicht gezeigt) der Meßwert­ aufnehmer 90 sind in Längsnuten 116 (siehe Fig. 3) zum Kopfende der Sonde 1 hin geführt, die in der Innenfläche des Rohrmantels 9 ausgebildet sind, so daß die Zuleitung zwischen dem Außendurchmesser der Hülsen 20, 21 und dem Rohrmantel 9 verlaufen. Die Zuleitungen sind am Kopfende der Sonde 1 aus dieser herausgeführt (nicht gezeigt) und an die Auswerteeinheit 92 des Fahrzeugs 3 angeschlossen.

Der Typ des Meßwertaufnehmers 90 richtet sich nach den je­ weiligen Einsatzbedingungen und kann bspw. ein Sensor zur On-Line-Erfassung von Feuchtigkeit, pH-Wert, Temperatur, Stickstoffkonzentration oder Dichte des Bodens sein.

An dem in Fig. 2 oberen Ende des Rohrmantels 9 befindet sich die Gelenkmanschette 25 mit einem unteren Gelenkteil 100, das am Rohrmantel 9 befestigt ist und das von einer Bohrung 101 durchsetzt ist, die sich an Durchgangskanal 12 des Rohrmantels 9 anschließt. Ein oberes Gelenkteil 102 ist über einen Schwenkzapfen am unteren Gelenkteil 100 gelagert, so daß der Durchgangskanal 12 beim Verschwenken des unteren Gelenkteils 100 gemeinsam mit dem Fußende der Sonde 1 zur Entnahme bzw. Einführung der Hülsen 20, 21 zugänglich ist. Das untere Gelenkteil 100 ist durch einen Klinkenmechanismus 104 in seiner Schließstellung am oberen Gelenkteil 102 gehalten. Dieser hat eine Sperrklinke 106, die am oberen Gelenkteil 102 angelenkt ist und die mit Federunterstützung zur Arretierung der Gelenkmanschette 25 in der Schließstellung in Eingriff mit einem Außen­ umfangsabschnitt des unteren Gelenkteils 100 bringbar ist. An der Sperrklinke 106 ist ein Betätigungshebel 108 be­ festigt, mittels dessen der Eingriff der Sperrklinke 106 mit dem unteren Gelenkteil 100 gegen Federvorspannung lös­ bar ist.

In einem sich koaxial zum Rohrmantel 9 in Fig. 2 nach oben an das obere Gelenkteil 102 anschließenden Sondenabschnitt ist eine Zug-/Druckmeßdose 110 angeordnet. Da Meßdosen 110 zur Messung von Zug- und Druckkräften bereits hinlänglich bekannt sind, sei auf eine eingehende Beschreibung der Funktionsweise derartiger Meßdosen 110 verzichtet und auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Mittels der Meß­ dose 110, die über eine Zuleitung an die Auswerteeinheit 92 des Fahrzeugs 3 angeschlossen ist, kann bspw. der Eintreib­ widerstand beim Eintreiben der Sonde 1 in den Boden in Ab­ hängigkeit von Eintreibvorschub und -geschwindigkeit im On- Line-Verfahren ermittelt und somit wertvolle Rückschlüsse auf die Bodenbeschaffenheit gewonnen werden.

Die Sonde 1 ist über einen Befestigungsabschnitt 112 am Hydraulikzylinder 4 des Fahrzeug-Hydrauliksystems befe­ stigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist am Befesti­ gungsabschnitt 112 eine Feder 114 zur Federvorspannung des Betätigungshebels 108 abgestützt.

Zu Beginn einer Entnahme von Bodenproben wird die Sonde 1 gegenüber dem Hydraulikzylinder 4 um ca. 90° in die Öffnungsstellung verschwenkt, so daß das Innere des Rohr­ mantels 9 zugänglich ist. In die Rohrmantelöffnung bzw. die Bohrung 101 werden nacheinander die Hülsen 20, 21 mit einer Länge von bspw. 30 cm eingeschoben, wobei sich die untere Hülse 21 auf der Abstandshülse 19 abstützt. Das Fußende der Sonde 1 wird anschließend in die in Fig. 2 gezeigte Eintreibstellung zurückgeschwenkt und über den Klinken­ mechanismus 104 arretiert. Die Sonde 1 wird mittels des Hydraulikzylinders 4 in den Boden getrieben. Dabei wird der vom Durchgangskanal 12 überdeckte Bodenkern fortschreitend in das Innere der Hülsen 20, 21 hineingedrückt. Da sich der Durchgangskanal 12 über die Radialschulter 15 erweitert, kann er sich nach dem Passieren der Radialschulter 15 in Radialrichtung entspannen, wobei das Fließen des Bodenkerns durch die Abrundung der Umfangskante 16 der Radialschulter 15 vorteilhaft beeinflußt wird. Oberhalb der Radialschulter 15 steht der Probenkörper 7 somit im Radialabstand zum Durchgangskanal 12 und zur Innenumfangsfläche der Hülsen 20, 21. Nach dem Erreichen der gewünschten Eintreibtiefe (bspw. ca. 60 cm) wird die Sonde 1 durch den Hydrau­ likzylinder 4 aus dem Erdreich gezogen, wobei der Probenkörper 7 durch die Federdrähte 23 in seiner Rela­ tivposition zur Sonde 1 gehalten werden. Durch die radiale Erweiterung des Außenumfangs der Spitze 10 gegenüber dem Rohrmantel 9 liegt die Spitze 10 nur in ihrem vorderen Ab­ schnitt am Erdreich an, während der Rohrmantel 9 einen Ra­ dialabstand zur Probenbohrung aufweist, durch den das Her­ ausziehen und Eintreiben der Sonde 1 wesentlich erleichtert ist.

Während des Eintreibens und Herausziehens der Sonde 1 wer­ den in vorgegebenen Zeitabständen die von den Meßwertauf­ nehmern 90 und der Druckmeßdose 110 erfaßten Daten von der Auswerteeinheit 92 abgefragt und ausgewertet.

Zur Entnahme der Probenkörper 7 wird der Eingriff der Sperrklinke 106 über den Betätigungshebel 108 gelöst und das Fußende gegenüber dem Hydraulikzylinder 4 oder, genauer gesagt, dem oberen Gelenkteil 102 verschwenkt, so daß die beiden mit der Bodenprobe gefüllten Hülsen 20, 21 entnehmbar sind.

In bestimmten Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, den Rohrmantel 9 selbst als Behältnis für die Aufnahme des Probenkörpers 7 zu verwenden. In diesem Fall werden die Meßwertaufnehmer 90 bevorzugt in den mit A bis C genannten Bereichen der Spitze 10 angeordnet und die Zuleitungen im Rohrmantel 9 über lösbare Steckverbindungen mit der Spitze 10 und der Gelenkmanschette 25 bzw. der Handhabungs­ einrichtung (Handbohrstock) verbunden.

Die Fortschritte in der Mikroelektronik mit miniaturisier­ ten Meßwertaufnehmern und Auswerteeinheiten ermöglichen es, die Erfindung auch im Zusammenhang mit einem Handbohrstock zu verwenden, der bspw. über die Zuleitungen an ein batte­ riebetriebenes, tragbares Auswertesystem angeschlossen ist.

Offenbart ist ein Gerät zur Entnahme von Bodenproben mit einer Sonde mit einem zylindrischen Rohrmantel, an dessen Kopfende eine Handhabungseinrichtung für die Sonde und an dessen Fußende eine auswechselbare Spitze angeordnet sind. An der Sonde ist zumindest ein Meßwertaufnehmer vorgesehen, mit dem während des Eintreibens und Herausziehens der Sonde ein oder mehrere Bodenzustandsparameter erfaßbar sind.

Claims (11)

1. Gerät zur Entnahme von Bodenproben mit einer Sonde mit einem zylindrischen Rohrmantel, der am oberen Kopfende mit einer Handhabungseinrichtung zum Eintreiben in den Bo­ den versehen ist und der einen Aufnahmeraum für eine Boden­ probe bildet, der sich nach unten in einen zylindrischen Durchgangskanal einer an dem Rohrmantel lösbar anzubringen­ den Spitze fortsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß an der Sonde (1) zumindest ein Meßwertaufnehmer (90, 110) zur Erfassung von Bodenzustandsparametern angeordnet ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwertaufnehmer (90, 110) am Außenumfang der Sonde (1) angeordnet ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Durchgangska­ nal eine diesen zur Handhabungseinrichtung hin erweiternde Radialschulter mit einem Übergangsradius hat, in deren Be­ reich eine Rückschlageinrichtung für die Bodenprobe in den Aufnahmeraum ragt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Meßwertaufnehmer (90) in einem Abschnitt des Durch­ gangskanals (12) oder des Aufnahmeraums angeordnet sind.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (90) im erweiterten Abschnitt (A) des Durchgangskanals (12) angeordnet ist.

5. Gerät nach Anspruch 4, wobei im Aufnahmeraum im An­ schluß an die Spitze eine auswechselbare Abstandshülse an­ geordnet ist, die einen Axialanschlag für zumindest ein Be­ hältnis (20, 21) zur Probenaufnahme bildet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Meßwertaufnehmer (90) im Bereich der Ab­ standshülse (19) angeordnet ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kopfende des Rohrmantels mittels einer Gelenkmanschette durch Umklappen verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (1) mittels eines sich an die Gelenkman­ schette (25) anschließenden Befestigungsabschnitts (112) lösbar an der Handhabungseinrichtung (4) befestigbar und eine Meßdose (110) im Bereich des Befestigungsabschnitts (112) oder des Rohrmantels (9) angeordnet ist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektrischen Zuleitungen vom Meßwer­ taufnehmer (90, 110) weg im Bereich des Sondenmantels zum Kopfende der Sonde (1) hin geführt sind.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen in Längsnuten (116) des Sondenmantels ge­ führt sind.

9. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßwertaufnehmer zur Erfas­ sung eines oder mehrerer der Bodenzustandsparameter: Eintreibwiderstand, Dichte, Feuchtigkeit, pH-Wert, Stick­ stoffkonzentration und/oder Temperatur geeignet sind.

10. Gerät nach einem der Patentansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkmanschette (25) durch einen Klinkenmechanismus (104) in ihrer Eintreibstellung lösbar arretiert ist.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Klinkenmechanismus (104) an einem Gelenkteil (100) der Gelenkmanschette (25) angelenkt ist und eine federvorge­ spannte Sperrklinke (106) in Eingriff mit dem anderen Ge­ lenkteil (102) der Gelenkmanschette (25) bringbar ist.