DE102012008584B3

DE102012008584B3 - Vorrichtung zur Analyse kleinvolumiger Bodengasproben

Info

Publication number: DE102012008584B3
Application number: DE201210008584
Authority: DE
Inventors: Falko Kuhnke; Thorsten Gaertig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2032-04-28

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Analyse kleinvolumiger Bodengasproben beschrieben, mit deren Hilfe sich z. B. der für die Vitalität von Pflanzen und Bäumen wichtige Kohlendioxidgehalt des Bodens schnell, zuverlässig und preiswert bestimmen läßt. Das Wesen dieser Vorrichtung ist erfindungsgemäß die Integration von Einstichsonde (1), Gasdetektor (2) und Pumpe (3) zu einer möglichst kompakten Einheit, dem integrierten Sensorkopf (11). Auf diese Weise wird das unvermeidliche Totvolumen im gesamten System klein gehalten und es können mit herkömmlichen Komponenten hinreichend kleine Gasmengen in der Größenordnung von fünf Millilitern analysiert werden. So wird gewährleistet, daß die Ergebnisse der Gasanalyse nicht durch unnötiges Ansaugen großer Gasvolumina oder Vermischung mit Gasresten aus dem Totvolumen verfälscht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse kleinvolumiger Bodengasproben. Derartige Vorrichtungen sind erforderlich, um die Konzentration von bestimmten Bodengaskomponenten, insbesondere von Kohlendioxid zu bestimmen.
Gas-Detektoren sind aus dem Umfeld der Lüftungstechnik, des Personenschutzes (Atemschutz) in gefährdenden Umgebungen, wie Schächten, Brunnen, bei der Feuerwehr oder auch unter Tage weit verbreitet und bekannt. Üblicherweise arbeiten diese Geräte kontinuierlich. Sie saugen ständig Umgebungsluft an, analysieren diese permanent und reagieren beim Über- oder Unterschreiten von Grenzwerten funktionsgemäß, d. h. sie geben Alarm oder schalten Zusatzbelüftungen ein usf..
Bei bodenkundlichen Untersuchungen hingegen müssen sehr kleine Gasvolumina entnommen und analysiert werden, da man die tatsächlichen Gaskonzentrationen im Boden nicht durch angesaugte „Nebenluft” aus der freien Atmosphäre verfälschen möchte.
Ein Boden ist für Bäume ein geeigneter Wurzelraum, wenn er die Wurzeln gleichzeitig mit Wasser, Nährstoffen und Sauerstoff versorgt und ihnen darüber hinaus die Möglichkeit der Verankerung gibt. Im Gegensatz zur Wasser- und Nährstoffversorgung wird die Notwendigkeit einer ausreichenden Bodenbelüftung oft unterschätzt. Allein durch die Atmung der Wurzeln werden bei Bäumen 25–50% des in der Vegetationszeit gebundenen Kohlenstoffs verbraucht. Der von Wurzeln und Bodenorganismen benötigte Sauerstoff muss über den luftgefüllten Porenraum des Bodens aus der freien Atmosphäre nachgeliefert werden, produziertes CO₂ muss auf gleiche Weise entsorgt werden. Dabei kommt der Struktur des obersten Bodenhorizontes aufgrund ihrer Schleusenfunktion eine besondere Bedeutung zu: Die Gasdurchlässigkeit dieser Grenzschicht steuert den Gasaustausch des gesamten Wurzelraumes. Ist der Gasaustausch zwischen Atmosphäre und Wurzeln aufgrund von Bodenverdichtungen oder Versiegelungen gestört, kann die Versorgung der Feinwurzeln mit Sauerstoff nicht mehr gewährleistet werden. Verringerte Durchwurzelung und Vitalitätsverluste, die zum Absterben ganzer Kronenteile führen können, wurden infolge von Belüftungsstörungen in Wäldern beobachtet. Umgekehrt wurde nachgewiesen, dass mittels einer Verbesserung der Belüftungssituation das Wurzelwachstum angeregt werden kann. Auch läßt sich der natürliche Tiefengradient abnehmender Feinwurzeldichte durch künstliche Belüftung aufheben.
Die Gewährleistung einer effizienten Bodenbelüftung im Wurzelraum von Stadt- und Waldbäumen ist daher in den letzten Jahren stark in den Fokus der Verantwortlichen in Forst-, Umwelt- und Gartenämtern gerückt. So wurden in der Forstwirtschaft und im Landschaftsbau Richtlinien zu Befahrung von Böden bei der Holzernte bzw. bei Baumaßnahmen erlassen, um Struktur- und damit Belüftungsstörungen zu vermeiden. In vielen Städten wird der Wurzelraum versiegelter Böden durch umfangreiche technische Baumaßnahmen belüftet.
Um die Belüftungssituation an einem Baumstandort beurteilen zu können, sei es um Belüftungsstörungen zu diagnostizieren, sei es um den Erfolg belüftungsverbessernder oder vorsorgender Maßnahmen zu beurteilen, bedarf es quantifizierbarer Parameter. Übliche Verfahren zur Beurteilung von Belüftungsstörungen wie die Entnahme ungestörter Bodenproben und die Bestimmung von Struktur- und Transferparametern (Lagerungsdichte, Porenvolumen, Luft- und Wasserleitfähigkeit, Gasdiffusionskoeffizient) sind sehr aufwendig und eignen sich auf vielen Standorten nicht. So können auf weitgehend versiegelten Standorten oder sehr skeletthaltigen Böden keine Proben genommen werden. In Städten können unterirdische Belüftungskorridore wie Drainagen oder Sand- und Kiesbetten mit diesen Verfahren nicht erkannt und berücksichtigt werden.
In den vergangenen Jahren hat sich die Kohlendioxidkonzentration im Boden als schnell zu erhebende und aussagekräftige integrative Bestimmungsgröße der Belüftungssituation erwiesen. Mit abnehmender Gasdurchlässigkeit des Bodens, nehmen die CO₂-Konzentrationen der Bodenluft in der Vegetationszeit zu.
In Waldböden kann bei CO₂-Konzentrationen von über 0,6% mit deutlichen Funktionsstörungen im Wurzelraum gerechnet werden. Dies liegt offensichtlich daran, dass hohe CO₂-Konzentrationen bei Bäumen zu einer Abnahme der Wurzelrespiration führen und so die Leistungsfähigkeit von Feinwurzeln beeinträchtigen. Beobachtungen abnehmender Bodenrespiration bei erhöhten CO₂-Konzentrationen in der Bodenluft wurde vielfach beschrieben.
Die Messung der CO₂-Konzentration der Bodenluft wird typischerweise mit mobilen Gaschromatographen (GC) durchgeführt. Wie von Gaertig in „Bodengashaushalt, Feinwurzeln und Vitalität von Eichen” in den Freiburger Bodenkundlichen Abhandlungen, Freiburg 2001, beschrieben, wird über die Ansaugpumpe im GC ein Volumen von etwa 5 ml Bodenluft über eine spezielle Einstichsonde aus dem Boden gesaugt und analysiert. Aufgrund der hohen Analysekosten, des großen Gewichtes und des nicht geringen Energiebedarfes hat sich das Verfahren nur im Wissenschaftsbetrieb, nicht aber in der Praxis durchsetzen können. Herkömmliche preiswertere portable CO₂-Messgeräte benötigen große Probevolumina und sind daher zur Analyse für kleinvolumige Proben in der Größenordnung von 5 ml ungeeignet. Oft sind die Gas-Sensoren im eigentlichen Messgerät integriert oder, falls doch abgesetzt, zu klobig, weswegen man sie nicht in den Boden eindrücken kann.
Mit der hier vorgestellten Vorrichtung ist es gelungen, ein preiswertes Messgerät für kleinvolumige Bodengasproben zu entwickeln, und so die Lücke zwischen teuren – aber für kleinvolumige Proben (im ml-Bereich) geeigneten – Gaschromatographen und kostengünstigen CO₂-Messgeräten zu schließen. Vergleiche hierzu Prospekte bzw. Internetangebote handelsüblicher CO₂-Sensoren rsp. -Meßgeräte z. B. der Firmen Dräger, Deutschland, Vaisälä, Finnland, SenseAir, Schweden, RAE Systems, USA usf., die aber große Probevolumina z. T. im Literbereich zur exakten Messung benötigen.
Die DE 101 09 534 A1 bezieht sich ausschließlich auf massenempfindliche Sensoren (meS), wobei die nachzuweisende Substanz durch Anlagerung die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises (Schwingquarzes, einer Schwingquarzwaage) verändert. Ein gravierender Nachteil dieser Sensoren besteht darin, dass sich die Anlagerungsfähigkeit mit der Zeit erschöpft. Typischerweise wird die Verwendbarkeit eines meS mit zwei Jahren angegeben. Auch zeigen diese Sensoren eine Querempfindlichkeit, vergl. hierzu DE 101 09 534 A1 : [0029]. Ferner werden hierin zur Detektion der Fumigantien stets mehrere Sensoren verwendet [0030], nämlich zwei bis zwölf, insbesondere sechs, üblicherweise in Form eines Arrays [0038]. Diese Sensoren benötigen auch eine thermostatisierte Meßkammer [0031].
In der US 4 350 051 A wird in keiner Weise auf ein kleinstmögliches Probevolumen abgestellt. Allein schon die in der detaillierten Beschreibung der US 4 350 051 A Spalte 2, Zeile 41 angegebene Einstichtiefe von „einigen Fuß” spricht dagegen. Auch der vorgesehene Schlagmechanismus 2 und 3, (14) zum Ein- oder Austreiben der Sonde in das bzw. aus dem Erdreich läßt auf eine große Sondenlänge und damit auf ein großes Totvolumen schließen.
Die US 6 085 576 A beschreibt einen portablen Multi-Gasdetektor, eine so genannte elektronische Nase, wie sie seit Jahren im Handel erhältlich ist. Sie ist ähnlich den sehr weit verbreiteten und bekannten Systemen der Firma RAE, USA, aufgebaut. Sie sind mit einem beweglichen Saugrüssel ausgerüstet, der es definitiv nicht gestattet, ihn auch nur wenige Zentimeter in den Boden zu drücken. Außerdem ist er von denn Typ bei dem kontinuierlich große Luft- bzw. Gasmengen an den Sensoren vorbeigeführt werden.
Auch das in der DE 43 10 096 A1 beschriebene Meßgerät zur Bestimmung des Radongehaltes im Bodengas saugt ständig große Mengen Bodenluft aus einer vornehmlich für Baugrunduntersuchungen niedergebrachten Bohrung und führt sie einer Meßstelle, einem Radon-Meßsystem, zu. Der Kaliber des Meßrohres wird mit nur 16–25 mm angegeben (Spalte 8, Zeile 39). Als Radon-Detektor findet ein Elektretdetektor Verwendung (Spalte 6, Zeile 25).
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten kompakten Vorrichtung zur Bodengasanalyse, mit der sehr kleine Probevolumina von wenigen Millilitern in Bezug auf ein enthaltenes spezifisches Messgas wie CO₂ genau bestimmt werden kann. Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 1 an. Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend anhand der 1 und 2 erläutert.
Wesentliche Eigenschaft der zu entwickelnden Vorrichtung für die Bodengasanalyse ist das möglichst kleine, nötige Probevolumen, hier wird typischerweise von nur fünf cm³ ausgegangen. Dabei sollte das unweigerliche Totvolumen im System idealerweise Null, höchstens jedoch zwanzig Prozent des Probevolumens, also rund ein cm³ (Milliliter) ausmachen.
Die Lösung dieses Problems besteht in der räumlichen Vereinigung von Einstichsonde 1, Gasdetektor(en) 2 und Ansaugpumpe 3. Nur auf diese Weise kann das Totvolumen minimiert und eine Verfälschung der Messung vermieden werden. Die drei genannten Elemente bilden in der Analyse-Vorrichtung eine Einheit, den integrierten Sensorkopf 11, 1. Daneben gibt es wahlweise noch eine abgesetzte, mikroprozessorgesteuerte, Auswerte- und Stromversorgungs-Einheit, den s. g. Datenlogger 9. Er steuert den Sensorkopf, akquiriert, visualisiert und speichert die Gas-Messdaten über die Interfaceschaltung 7 und die Verbindungsleitung 8. In einer zweiten Ausführungsvariante wird der Sensorkopf unmittelbar mit einem tragbaren Kleincomputer z. B. über eine USB-Schnittstelle verbunden und mittels eines individuellen Programmes gesteuert. In diesem Falle übernimmt der Kleincomputer 9 alle vorgenannten Steuer-, Auswerte- und Visualisierungsfunktionen. Im Inneren des Sensorkopfes sorgt eine Interfaceschaltung 7 mit ihren zugehörigen Steuerleitungen 5 und 6 für die Kontrolle von Detektor und Pumpe. Der Gasstrom wird mittels kurzer Schlauchverbindungen 4 von der Einstichsonde 1 über den Detektor 2 zur Pumpe 3 geleitet.
Um das Totvolumen wirklich klein zu halten, ist auch die Einstichsonde 1, wie in 2 im Querschnitt gezeigt, besonders auszugestalten. Das dickwandige, kräftige „Ansaugrohr” 1 wird nicht offen gelassen sondern mit einem paßgenauen, beweglichen Stempel 13 verschlossen bzw. gefüllt. Für den Gastransport wird dieser Stempel wenigstens einseitig angefast (abgefräst) und bildet so den Gaskanal 14, er kann aber auch jede andere Kontur besitzen. Zusätzlich dient dieser Stempel 13 dazu, einen am unteren Ende angebrachten Kegel 10 zu bewegen, und so den Gaskanal 14 ähnlich einem Ventil zu öffnen. Der Kegel 10 erleichtert das Eindrücken der Einstichsonde 1 in den Boden und verhindert zugleich das Eindingen von Schmutz und Sand in den für die Gasentnahme vorhandenen Gaskanal 14 (Spalt). Ein zusätzlicher Dichtring 12, zwischen unterem Rohrende und Kegel 10 angeordnet, verbessert die Dichtwirkung während des Einstechens. Am oberen Ende ist die Einstichsonde 1 gegenüber dem Stempel 13 mittels einer Durchstichmembran (Septum) 15 abgedichtet.
Unterschiedliche Sondierungstiefen werden über entsprechende Einstichtiefen der Sonde in den Boden eingestellt. Als Anschlag dient eine auf dem Ansaugrohr beliebig verschiebbare Stellscheibe, die für jede Tiefe fixiert werden kann. Eine am Rohräußeren angebrachte Skala erleichtert die Einstellung der gewünschten Sondierungstiefe.
Die Analysevorrichtung kann mit unterschiedlichen Gas-Detektoren bestückt werden. Besonders wichtig und deshalb immer dabei ist ein Detektor auf Kohlendioxid CO₂. Als CO₂-Sensor findet ein nach dem Prinzip des Non-Dispersive Infrared (NDIR), der Lichtabsorbtion von CO₂ Molekülen im IR-Bereich, arbeitender Sensor Verwendung. Sein Messbereich beträgt für Anwendungen im Bereich Wald- und Gartenbau typischerweise 0...10% CO₂. Die Auswahl dieses Sensors erfolgte natürlich auch unter dein Gesichtspunkt eines möglichst kleinen Probevolumens. Es wurden verschiedene Sensoren der Firma SENSEAIR, Delsbo, Schweden, erfolgreich getestet. Sie sind kleinbauend und haben einen geringen Energiebedarf. Sie lassen sich mit Gleichspannung ab fünf Volt (sozusagen USB-tauglich) versorgen. Auch besitzen sie eine mit Schlauchanschlüssen versehene sehr kleine Meßkammer.
Die Pumpe 3 ist eine kleine Membranpumpe oder auch eine peristaltische Pumpe (Schlauchpumpe) mit einer Pumprate von ca. 40 ml/min. Mit beiden wurde erfolgreich experimentiert. Die Abmessungen des gesammten Sensorkopfes sind ca. 100·100·50 mm³. Die Einstichsonde 1 kann in unterschiedlichen Längen und Durchmesern hergestellt werden, im Hinblick auf das Totvolumen ist sie kurz. In der Praxis haben sich Längen von 200 mm bis 250 mm bei 6 mm Durchmesser bewährt.
Das bisherige Basisgerät ist eine Art Datenlogger mit einem 8-bit Mikrocontroller, (AT89C51-ED2) und einem OPTREX LC-Display mit 64 × 128 Pixeln. Der ausgewählte Controller kann mit den 3,3 V-Pegeln des CO₂ Sensors (I²C-Bus) unmittelbar fertig werden. Er hat mit seinem internen Programmspeicher von 64k nebst nichtflüchtigem EEPROM von 2k Byte ausreichend Kapazität für alle weiteren Schalt- und Steuervorgänge für Pumpe, evtl. Ventile, Datentransfer via Schnittstelle (RS232 bereits implementiert), Datenspeicherung, Statistik usf..
Auch ist es vorstellbar und für den Arbeitsfortschritt hilfreich, einen Satelliten-Navigations-Sensor auf dem Sensorkopf 11 zu integrieren (GPS, Galileo (ab 2013)). Die hohe Rechenleistung eines Notebooks 9 würde auch die zusätzlichen Positionssignale mühelos dekodieren und aufzeichen können.
Zur weiteren Arbeitserleichterung kann auch ein längerer Handgriff am Sensorkopf 11 angebracht werden, mit dessen Hilfe die Einstichsonde 1 bzw. der integrierte Sensorkopf 11, ähnlich einem Spazierstock, im Stehen/Gehen in den Boden gestossen werden kann.
Selbstverständlich können mit anderen als den CO₂-Sensoren 2 auch diese jeweiligen Gaskomponenten (z. B. Methan, Stickoxid) in gleicher Weise mit dem Sensorkopf 11 gemessen werden. Parameter wie Temperatur, Luftdruck und auch Wasserdampfgehalt lassen sich mit zusätzlich montierten Detektoren erfassen.

Claims

Vorrichtung zur Analyse kleinvolumiger Bodengasproben, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Probenahme dienende Einstichsonde (1), ein reicht dispersiver Infrarot-Detektor (NDIR) (2) sowie eine Ansaugpumpe (3) eng benachbart zu einem integrierten Sensorkopf (11) zusammengefügt sind, wobei die als Rohr ausgeführte Einstichsonde (1) mit einem ihren Innendurchmesser nahezu vollständig ausfüllenden Stempel (13) ausgestattet ist, so dass ein dezidierter Gaskanal (14) gebildet wird und so das Totvolumen im Vergleich mit dem eigentlichen Probevolumen minimiert ist und wenige Milliliter nicht überschreitet.
Vorrichtung zur Analyse kleinvolumiger Bodengasproben nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Einstichsonde (1) nahezu vollständig ausfüllende Stempel (13) entsprechend der Kontur ihrer Bohrung zylindrisch, zylindrisch mit Fase(n), Schlitz(en), Kehle(n), vielkantig (Polyeder) oder stern- bzw. schraubenförmig ausgeführt ist.
Vorrichtung zur Analyse kleinvolumiger Bodengasproben nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (13) in der Einstichsonde (1) zugleich auch als Betätigungselement eines Bodenventils dient, das als Kegel (10), Kegelstumpf oder Zylinder mit Halbkugel ausgeführt, mit einer Dichtung (12) versehen, während der Phase des Einstechens geschlossen ist und vor der Gas-Entnahme oder der Messphase, vermöge des Stempels geöffnet wird, wobei der Stempel (13) am oberen Ende der Einstichsonde (1) mittels einer Durchstichmembran (15) abgedichtet ist.
Vorrichtung zur Analyse kleinvolumiger Bodengasproben nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstichsonde (1) außen mit einer Längenskala und/oder einem verstellbaren Anschlag versehen ist, um die Sondierungstiefe oder die Beprobungstiefe abzulesen und/oder leicht einstellen zu können.
Vorrichtung zur Analyse kleinvolumiger Bodengasproben nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas-Detektor (2) messgasspezifisch für Kohlendioxid (CO₂), Sauerstoff (O₂) oder Methan (CH₄) ausgelegt ist und die Gas-Parameter Druck, Temperatur, Feuchtegehalt und Wasserdampfgehalt des angesaugten Gases bestimmbar sind.
Vorrichtung zur Analyse kleinvolumiger Bodengasproben nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugpumpe eine elektrisch betriebene Kolbenpumpe, Membranpumpe, Peristaltikpumpe oder Schlauchpumpe ist, deren Fördervolumen durch ihre Hubzahl, Umdrehungszahl oder ihre Laufzeit bestimmt ist, wobei der Arbeitstakt der Pumpe durch Überwachen ihres Speisestromes erfolgt.
Vorrichtung zur Analyse kleinvolumiger Bodengasproben nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung, Datenakquisition, Datenanalyse und Visualisierung der Messergebnisse sowie die Stromversorgung des integrierten Sensorkopfes (11) über Standard Schnittstellen, RS232 oder USB, nebst einem tragbaren Minicomputer (9), PC oder Notebook oder aber einem adaptierten, konventionellen Datenlogger erfolgt, wobei die Interfaceschaltung (7) eine intelligente ist, die sich an das angeschlossene Steuer- und Datenerfassungssytem (9) automatisch anpasst und dieses erkennt, wobei das Erkennen durch einfache Kodierung der Steckverbinder, unterschiedliche Steckerbelegung, oder aber elektronisch durch Senden oder Austausch von Daten-Telegrammen spezifischer Inhalte erfolgen kann.
Vorrichtung zur Analyse kleinvolumiger Bodengasproben nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, welche zur Bodengasanalyse mittels Datenlogger oder tragbarem Kleincomputer mit entsprechend dimensionierter Stromversorgungskapazität, wie einem Akkumulator, zu einem autarken Analysesystem erweiterbar ist, das auch für Dauermessungen einsetzbar ist.
Vorrichtung zur Analyse kleinvolumiger Bodengasproben nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, mit einem Satelliten-Navigations-Empfangsmodul, mit dessen Hilfe die Koordinaten des jeweiligen Messortes ermittelbar und dokumentierbar sind.
Vorrichtung zur Analyse kleinvolumiger Bodengasproben nach einen der Patentansprüche 1 bis 9, mit einem längeren Handgriff, mit dessen Hilfe die Einstichsonde (1) und der integrierte Sensorkopf (11), ähnlich einem Spazierstock, im Stehen oder Gehen in den Boden gestossen werden kann.