Wie atmet der Boden? - Automatisierung einer Probenahme

Am Forschungszentrum Jülich untersuchen Wissenschaftler den Stoffaustausch zwischen Pflanzen, Boden und Umgebung. Eine Anlage zur Entnahme von Gasproben hat measX automatisiert.

Lysimeter Probenfeld

Höhere Temperaturen, veränderte Niederschläge, extreme Wetterereignisse. Am Forschungszentrum Jülich wird untersucht, welche Folgen der Klimawandel für unsere Böden und Pflanzen hat. Um den Austausch zwischen Boden, Wasser, Luft und Pflanzen besser zu verstehen, analysieren die Forscher im Rahmen des Projekts SoilCan-TERENO die langfristigen Stoff- und Wasserflüsse im Boden. Sie tun das mithilfe von Lysimetern. Das sind in die Erde eingelassene, oben offene Edelstahlzylinder, die ausgestochene Erdblöcke von etwa 1,5 Kubikmetern enthalten. In den Lysimetern verbaute Sensoren liefern kontinuierlich Daten, etwa zum Wassergehalt des Bodens. Um die Gasemission der Pflanzen und des Bodens genauer ergründen zu können, müssen Proben genommen werden. Dazu wird eine Messkammer wie eine Haube über die Pflanzen im Lysimeter platziert, Gasproben entnommen und in Fläschchen abgefüllt. Schema AbsauganlageEin motorisierter Drehturm hebt die Messkammer von einem Lysimeter zum nächsten. Für die Messanlage hat measX eine neue Steuerung und Automatisierung entwickelt. „Die Probenahme ist ein komplexer Ablauf, bei dem viele verschiedene Hardwaremodule angesteuert  werden müssen. Durch die Erfahrung eines zertifizierten LabVIEWEntwicklers ist der Prozess jetzt hochverlässlich“, freut sich Norbert Bayer vom Forschungszentrum.
Schon die Positionierung der Messkammer auf dem Lysimeter ist ein vielschrittiger Vorgang, bei dem Kontrollfotos gemacht werden. Erst dann beginnt der angeschlossene Fraktionssammler die  Gasproben zu nehmen. Gleichzeitig werden Messwerte zu Druck, Temperatur und Feuchte in der Kammer sowie aktuelle Wetterdaten an den Fraktionssammler übergeben. Für Wind und Regen sind  Grenzwerte hinterlegt, um die Betriebssicherheit zu gewährleisten; gegebenenfalls wird die Probenahme automatisch unter- oder sogar abgebrochen.
Lysimeter im Technikum/LaborFür die Kommunikation zwischen der Steuereinheit, einem National Instruments cRIO-9030, und dem Bedienrechner wurde ein TCP/IP-Modul entwickelt. „Ein PC oder Laptop, auf dem die Bedienoberfläche installiert ist, braucht sich nur per  WLAN oder LAN-Kabel mit der Anlagensteuerung zu verbinden. Dann hat der Anwender alle Möglichkeiten, die Ablauf-Automatik zu parametrieren und zum Beispiel die Zeiten der Probenahmen  vorzugeben“, erklärt measX-Ingenieur Felix Schönfelder. Anzeigeelemente informieren über den aktuellen Status des Real-Time-Systems und die Automatik. Auf Wunsch werden Informationen über  Anlagenzustände und Zustandsänderungen auch als Nachricht per SMS verschickt. „Die Messkammer leistet einen wichtigen Beitrag für die Arbeit im Projekt oilCan-TERENO“, weiß Norbert Bayer. TERENO (TERrestrial ENvironmental Observatories) ist ein deutschlandweites Netzwerk von Stationen zur Umweltbeobachtung. Im Teilprojekt SoilCan, das von Jülich aus koordiniert wird, steht der Boden im Fokus.