(57)【要約】  本発明は、土壌分析、特に農業または園芸土壌の技術分析の分野に関する。特に、本発明は、現場土壌分析のためのセンサデバイス、現場土壌分析のための方法、ならびに土壌分析方法を行うために構成されたデバイスに関し、本デバイスは、１つ以上のセンサデバイスとともにかつこれらと相互作用しながら、現場土壌分析のためのシステムを構成する。センサデバイスは、分析される土壌の以下の土壌特性、すなわち（ａ）インピーダンススペクトル、（ｂ）温度、（ｃ）ＮＩＲ（近赤外線スペクトル範囲）からＵＶ（紫外線スペクトル範囲）までのスペクトル範囲における吸収スペクトルＮＩＲ−ＶＩＳ−ＵＶ、および（ｄ）酸性または塩基性の性質、特にｐＨ値のうちの少なくとも２つの同時現場測定のために、および対応するそれぞれの測定データを提供するために、個別にまたは総体的に構成された１つ以上のセンサを備えるセンサアセンブリを有する。この場合、それぞれの測定可変センサに関して規定された、センサアセンブリのセンサのうちの各２つの間の距離は、１０ｃｍの値を超過しない。【選択図】図６
2021521461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
現場土壌分析のためのセンサデバイス（１）であって、
分析される土壌（１１）の以下の土壌特性、すなわち
（ａ）インピーダンススペクトル、
（ｂ）温度、
（ｃ）ＮＩＲからＵＶまで広がるスペクトル範囲の吸収スペクトルＮＩＲ−ＶＩＳ−ＵＶ、
（ｄ）酸性または塩基性の性質、のうちの少なくとも２つの同時現場測定のために、および対応するそれぞれの測定データを提供するために、個別にまたは総体的に構成された１つ以上のセンサを備えるセンサアセンブリを備え、
前記センサアセンブリの各２つのセンサのそれぞれの測定量トランスデューサに関連して規定される、前記各２つのセンサの間の距離は、１０ｃｍの値を超過しない、センサデバイス（１）。
【請求項２】
前記センサアセンブリは、前記分析される土壌（１１）のインピーダンススペクトルの現場検出のためのインピーダンスセンサを含み、前記インピーダンスセンサは、
第１の支持部材（１２）と、
前記第１の支持部材（１２）上に配置されているが、前記第１の支持部材（１２）からおよび互いから電気的に絶縁されている、２つの伝導性トラック（１４）であって、前記２つの伝導性トラック（１４）のうちの少なくとも一方が導電性の耐食性ポリマーまたは複合材料を含有する、２つの伝導性トラック（１４）と、
前記２つの伝導性トラック（１４）の間にＡＣ電圧を印加し、前記ＡＣ電圧の周波数を所定の周波数範囲にわたって変化させ、この過程で、前記センサデバイス（１）の動作中に、前記伝導性トラック（１４）が前記分析される土壌（１１）と電気的に接触するように前記センサデバイス（１）が前記分析される土壌（１１）に導入されたとき、前記伝導性トラック（１４）を介して前記分析される土壌（１１）に印加された前記ＡＣ電圧に応答して前記分析される土壌（１１）の前記インピーダンススペクトルを検出し、対応する測定データの形態で前記インピーダンススペクトを提供するように構成された制御デバイス（１５ａ）と、を備える、請求項１に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項３】
前記第１の支持部材は、少なくとも前記伝導性トラック（１４）によってカバーされた領域において導電性であり、前記制御デバイス（１５ａ）は、前記分析される土壌（１１）の前記インピーダンススペクトルの前記検出中に、この少なくとも１つの領域に地電位を印加するようにさらに構成されている、請求項２に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項４】
前記所定の周波数範囲は、１００Ｈｚ〜１ＭＨｚの範囲を含む、請求項２または３に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項５】
前記第１の支持部材は、前記分析される土壌（１１）への少なくとも部分的な導入のために、少なくとも部分的に中空であるスパイクとして構成されており、
前記スパイクの表面に絶縁層が提供されており、次いで、前記絶縁層の上には、前記２つの伝導性トラック（１４）が配置されており、
前記制御デバイス（１５ａ）は、前記第１の支持部材（１２）の中空部分の内部に位置する、請求項２〜４のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項６】
前記センサアセンブリは、前記分析される土壌（１１）の温度を検出するための温度センサ（１５ｃ）を備え、この前記温度センサ（１５ｃ）は、前記インピーダンスセンサとともに、統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリ（３）として構成されており、前記統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリ（３）は、前記分析される土壌（１１）のインピーダンススペクトルおよび温度を同時にかつ現場で検出し、これをそれぞれ対応する測定データの形態で利用可能にするように構成されている、請求項２〜５のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項７】
前記センサアセンブリは、前記分析される土壌（１１）の吸収スペクトルを現場検出するための吸光度計アセンブリ（５）を備え、前記吸光度計アセンブリ（５）は、
少なくとも２つのＭＥＭＳ吸光度計（２６ａ、２６ｂ）を備え、前記ＭＥＭＳ吸光度計（２６ａ、２６ｂ）のスペクトル範囲は、少なくとも電磁スペクトルのいくつかの部分において異なり、これにより、前記分析される土壌（１１）の吸収スペクトルは、前記ＭＥＭＳ吸光度計（２６ａ、２６ｂ）の全体によって総体的に検出することができ、前記吸収スペクトルは、ＮＩＲ範囲における部分だけでなく、ＶＩＳ範囲における部分およびＵＶ範囲における部分も有する、請求項１〜６のいずれか一項記載のセンサデバイス（１）。
【請求項８】
前記吸光度計アセンブリ（５）は、可動キャリア（４）をさらに備え、前記吸光度計は、前記分析される土壌（１１）が前記センサデバイス（１）の測定動作中に静止する仮想測定面に対して前記キャリア（２４）が移動させられると、前記吸光度計が、前記吸光度計によってスキャンされる前記土壌（１１）の領域にわたって積分される吸収スペクトルを検出するために、スキャンされる前記領域を分光的に測定することができるように前記可動キャリア（４）上に配置されている、請求項７に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項９】
前記吸光度計アセンブリ（５）は、前記吸光度計と前記測定面との間に画定されたスペース内へスクリーンを一時的に移動させるように構成された可動なシャッターデバイス（２８）をさらに備え、前記吸光度計のうちの少なくとも１つの校正のために、前記吸光度計に面した前記スクリーンの側に校正基準（２９）が配置されている、請求項７または８に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１０】
前記吸光度計アセンブリ（５）は、検出される前記吸収スペクトルに対応する波長範囲において少なくとも実質的に光学的に透明である光学系（２７）をさらに備え、前記光学系（２７）は、前記吸光度計と前記測定面とを互いに空間的に分離させるために、前記吸光度計と前記測定面との間の前記スペースに配置されており、
前記測定面に面した前記光学系（２７）の側において、前記光学系（２７）には、引っかき保護を高める親水性ナノコーティングが設けられている、請求項７〜９のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１１】
前記センサアセンブリは、前記分析される土壌（１１）の酸性または塩基性の性質の現場検出のための電位測定アセンブリ（４）を含み、前記電位測定アセンブリ（４）は、
第２の支持部材（１７）と、
前記第２の支持部材の中または上に配置された電解質／金属基準電極（１９）と、
前記第２の支持部材（１７）の表面上に配置された金属酸化物電極（２１）であって、前記第２の支持部材（１７）の表面は、測定動作中に前記分析される土壌（１１）と接触することが意図されている、金属酸化物電極（２１）と、
前記金属酸化物電極（２１）と前記電解質／金属基準電極（１９）との間において前記第２の支持部材上に配置され、かつ前記電解質／金属基準電極（１９）と接触しているイオンダイアフラム（２０）と、
前記分析される土壌（１１）と接触するように提供された前記第２の支持部材（１７）の前記表面上に配置され、かつ前記金属酸化物電極（２１）から電気的に絶縁されている、耐食性校正電極（２２）と、
測定デバイスと、を備え、前記測定デバイスは、
前記金属酸化物電極（２１）の現状を決定するために、前記校正電極（２２）と前記金属酸化物電極（２１）との間に生じる電気抵抗を測定しかつ／またはこれらの２つの電極が各々前記分析される土壌（１１）と接触しているときに前記２つの電極の間に生じる電気容量を測定することと、
前記分析される土壌（１１）の酸性または塩基性の性質を決定するために、前記基準電極と前記金属酸化物電極（２１）が各々前記分析される土壌（１１）と接触しているときに、前記金属酸化物電極（２１）の前記決定された現状に基づいて予め決定された測定校正を考慮に入れて、これらの２つの電極の間に生じる電位差を測定することと、を行うように構成されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１２】
前記校正電極（２２）は、導電性でかつ耐食性のポリマーまたは複合材料を含有する材料から形成されている、請求項１１に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１３】
前記第２の支持部材は、前記分析される土壌（１１）への少なくとも部分的な導入のためのスパイクとして構成されており、前記スパイクの表面に絶縁層が設けられており、前記絶縁層上に、前記金属酸化物電極（２１）、前記イオンダイアフラム（２０）および／または前記校正電極（２２）が配置されている、請求項１１または１２に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１４】
評価のために、前記センサデバイス（１）に関して外部にあるカウンターパートへ検出された測定データを送信するための通信デバイス（８）をさらに備える、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１５】
前記通信デバイス（８）は、ＬｏＲａ無線技術および／またはＮＢ−ＩｏＴ（ＮａｒｒｏｗＢａｎｄ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）無線技術に基づいた通信によって前記測定データを無線で送信するように構成されている、請求項１４に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１６】
不正アクセスから保護された、前記センサデバイス（１）の固有デバイス識別、および／または前記通信デバイス（８）によって送信される測定データおよび／またはメタデータを暗号化するための少なくとも１つの暗号キーを記憶するための安全な記憶デバイスをさらに備える、請求項１４または１５に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１７】
前記通信デバイス（８）は、外部カウンターパートとして機能するブロックチェーンに、送信される測定データおよび／またはメタデータを書き込むように、または別の外部カウンターパートに、前記別のカウンターパートに送信された測定データおよび／またはメタデータをブロックチェーンに書き込ませるようにさらに構成されている、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１８】
前記センサデバイス（１）は、前記センサデバイス（１）のユーザの認証を行い、かつ前記認証が成功した場合にのみ前記外部カウンターパートへの測定データおよび／またはメタデータの送信を許可するように構成されている、請求項１７に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１９】
前記センサデバイス（１）の現在位置を決定し、この位置を特徴付ける対応するメタデータを提供するための位置決定デバイス（７）をさらに備える、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項２０】
土壌分析のための方法であって、
分析される土壌（１１）の以下の土壌特性、すなわち
（ａ）インピーダンススペクトル、
（ｂ）温度、
（ｃ）ＮＩＲからＵＶまで広がるスペクトル範囲における吸収スペクトルＮＩＲ−ＶＩＳ−ＵＶ、
（ｄ）酸性または塩基性の性質、のうちの少なくとも２つに関する測定データを受信し、
決定される少なくとも１つの前記土壌特性のためのそれぞれの測定結果を得るために、データ融合による受信された測定データの組合せに基づき、前記土壌特性のうちの少なくとも１つまたは前記土壌特性から抽出された少なくとも１つの土壌特性を決定することを含む、方法。
【請求項２１】
前記測定データは、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）によって検出される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記方法は、ネットワークの少なくとも１つの中央ノード（３３）において行われ、前記少なくとも１つの中央ノード（３３）は、それぞれの測定データを受信するために、前記それぞれの測定データを検出するための複数のセンサデバイス（１）と通信接続（３１）するように構成されている、請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２３】
プロセッサプラットフォームにおいて実行されたとき、請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の方法を行うように構成された、コンピュータプログラム。
【請求項２４】
請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の方法を行うために配置される、土壌分析のためのデバイス（３３）。
【請求項２５】
前記測定データを検出するための請求項１〜１９のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）を備える、請求項２４に記載のデバイス（１、３３）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌分析の分野、具体的には、農業または園芸目的のために使用される土壌の技術分析に関するが、これは限定されない。特に、本発明は、現場土壌分析のためのセンサデバイス、現場土壌分析の方法および土壌分析方法を実施するように構成されたデバイスに関し、このデバイスは、前記センサデバイスのうちの１つ以上と一緒にかつこれと協働して、現場土壌分析のためのシステムを構築している。
【背景技術】
【０００２】
土壌分析の分野では、現在、分析対象の土壌から１つ以上の試料を採取し、それらを処理および分析する適切な実験室へ輸送することに基づく、実験室ベースの分析方法が主に使用されている。その後、対応する分析レポートが作成され、受取人またはクライアントへ送られる。原則として、サンプルの採取から分析結果の通知までの時間は、少なくとも数日かかるが、特に、例えば春（中央ヨーロッパの場合）などの需要の高い時期には、たいてい数週間かかる。土壌分析のための典型的な標準実験室において、含水量、微量栄養素および主要栄養素の含有量、導電性、土壌の種類、ｐＨ値、ならびに窒素、リンおよび炭素の利用可能かつ合計の量または濃度を、標準化された実験室ベースの分析方法によって決定することができる。農家のための典型的な土壌試料には、例えば、土壌の種類、窒素、リン、カリウム、マグネシウム、ホウ素、銅、亜鉛、マンガンおよび鉄分の含有量のパラメータ、ならびに土壌のｐＨ値、および場合によっては石灰に関するその要件に関する記述が含まれる。このような実験室分析において使用される方法は、非常に正確であるが、「現場で」、すなわち、サンプルを事前に採取することなく、現場、分析される土壌、例えば農業または園芸用のエリアにおいて用いることはできない。なぜならば、この目的に必要な技術機器が可動式でないため、または分析には実験室でしか達成できない標準化された環境条件が必要であるためである。
【０００３】
実験室における土壌分析の代替として、土壌の現場分析または半現場分析のためのいくつかの方法は、今日すでに利用可能である。しかしながら、利用可能な分析範囲は、土壌試料からの土壌の含水量、ｐＨ値、導電性および土壌の種類の分析に限定される。しかしながら、特にカリウム、マグネシウム、銅、マンガン、亜鉛、臭素、鉄、利用可能なリン、腐植の含有量、ならびに総窒素含有量および総炭素含有量に関心がある農家および園芸家に非常に関連するパラメータ等の他のパラメータは、現時点では現場で分析することができない。さらに、それ自体は、これまでに知られている現場分析方法のいずれも、多くの国で法定肥料規制などの法的規制の検証の基礎として必要とされる場合があるように、法的な観点から信頼性の高い方法で測定結果または分析結果を文書化することを可能にしない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この背景に鑑みて、現場土壌分析のための改善されたデバイスおよび方法を提供することが本発明の目的である。特に、これまでに知られている解決手段と比較して、追加の土壌特性を分析することおよび／または分析結果の改善された品質を達成することを可能にする、現場土壌分析のためのデバイスおよび方法を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的の解決は、独立請求項の開示に従って達成される。本発明の様々な実施形態および他の発展形態は、従属請求項の対象である。
【０００６】
本発明の第１の態様は、現場土壌分析のためのセンサデバイスに関する。センサデバイスは、分析される土壌の以下の土壌特性、すなわち（ａ）インピーダンススペクトル、（ｂ）温度、（ｃ）ＮＩＲ（近赤外線スペクトル範囲）からＵＶ（紫外線スペクトル範囲）に及ぶスペクトル範囲における吸収スペクトルＮＩＲ−ＶＩＳ−ＵＶ、および（ｄ）酸性または塩基性の性質、特にｐＨ値、の少なくとも２つ、好ましくは少なくとも３つまたは全ての同時現場測定のために、および対応するそれぞれの測定データを提供するために、個別にまたは総体的に構成された１つ以上のセンサを備えるセンサアセンブリを含む。それぞれの測定量トランスデューサに関連して規定されるセンサアセンブリのうちの２つの各センサ間の距離は、１０ｃｍ、好ましくは５ｃｍ、特に好ましくは３ｃｍの値を超えない。
【０００７】
本発明の意味において、「現場土壌分析」という表現は、土壌、特に農業または園芸目的に使用される領域における土壌の分析を意味し、所望の土壌特性の測定が、土壌から試料を採取する必要なく、土壌自体の現場で行われると理解されることが意図されている。特に、現場土壌分析は、対応するセンサデバイスが分析される土壌上またはその上方に配置されるか、または土壌中に少なくとも部分的に導入されるような方法で行うことができ、それにより、センサデバイスの感知構成要素は、土壌の関連特性を測定することができ、それによって、土壌は、少なくとも実質的には、その場所で変化させられないままである。単なる測定データの取得を超えたさらなる土壌分析の目的のために、１つ以上の現場測定によって生成された測定データの評価も、「現場で」、すなわち測定の場所で実行することができるが、これは必須ではない。これとは対照的に、試料がまず、分析される土壌から採取され、次いで、この試料が、同じ場所または異なる場所で、測定、および該当する場合には、さらなる分析が行われることに基づく土壌分析は、本発明の意味における現場土壌分析ではない。
【０００８】
いくつかの土壌特性の「同時」現場測定という表現は、測定される土壌特性のうちの少なくとも２つの測定のための測定期間が少なくとも部分的に重複する「現場」測定プロセスを意味すると理解されることが意図されている。したがって、特に、事実上正確に同時に行われるいくつかの土壌特性の測定も、例えば、第１の土壌特性の測定のための第１の測定期間が第２の土壌特性のための第２の測定期間と正確に一致しないが、両特性が同時に測定される少なくとも１つの時間間隔が存在する測定と同様に、本発明の意味において同時測定である。この文脈において、土壌特性の測定期間は、対応する検知構成要素が、土壌特性自体またはこれを間接的に決定するために使用される量のそれぞれの測定を実行するためにアクティブである期間として定義される。
【０００９】
本発明の意味において、「インピーダンススペクトル」という表現は、特に数学関数Ｚ（ω）によって行うことができる、例えば電極によって土壌の一部に印加される交流測定電圧の周波数（ω）の関数として、材料、この場合は測定される土壌の一部の交流電流抵抗（インピーダンスＺ）を表すスペクトルを意味すると理解されることが意図されている。この文脈において、双極ネットワーク素子（ここでは土壌の一部）の交流電流抵抗は、電圧対電流の比として定義される。
【００１０】
本発明の意味において、吸収スペクトルは、広帯域電磁放射線が物質を照射または通過し、特定の波長または波長範囲の放射線量子（光子）が物質によって吸収されるときに生じる、「暗い」スペクトル線、すなわち、スペクトル範囲における切断を含む電磁スペクトルを意味すると理解されることが意図されている。これに関連して、たいていは波長に依存して、１つ以上の異なる吸収メカニズムが生じ得る。特に、原子、分子もしくは結晶、または他の固体の異なるエネルギーレベル間の電子遷移（例えば、発光に関連して）、ならびに他の自由度、特に分および固体の回転自由度または振動自由度の励起が可能である。得られた吸収スペクトル、特に反射スペクトルを、対応する基準スペクトルと比較することによって、測定された物質の材料組成に関する定性的および／またはは定量的な結論を導き出すことができる。
【００１１】
本発明の意味において、「測定量トランスデューサ」、または略して「トランスデューサ」という表現は、測定デバイスの一部、すなわち測定量に直接応答するセンサの一部を意味すると理解されることが意図されている。したがって、トランスデューサは、測定チェーンの第１の要素である。特に、トランスデューサは、１つ以上の電極、受光器または温度センサの形態で実施されてもよいが、これに限定されない。２つのトランスデューサ間の距離は、それらの間の最短距離であると理解されたい。
【００１２】
本発明の第１の態様によるセンサデバイスは、一方で、少なくとも２つの異なる土壌特性を、センサベースで、かつ少なくとも実質的に非破壊的な形式で検出することができ、加えて、土壌特性は、それらの間に明確な相関関係が存在するように選択され、これは、個々の測定と比較したとき、データ融合によって、測定によって得られる測定データの測定精度の向上、したがって、土壌分析の質の向上を実現することを可能にすることを特徴とする。加えて、センサの測定量トランスデューサは、非常に小さな面積（例えば、≦１００ｃｍ２、好ましくは≦２５ｃｍ２、特に好ましくは≦９ｃｍ２の面積）に集中させられ、これにより、測定される土壌の部分は、良好な近似において、均質であると仮定することができ、良好な近似は、特に個々の測定結果の間の相関関係が距離に強く依存することに関して、測定結果をさらに向上させるために使用され、一般に、距離が小さいのであれば、データ融合によって、達成される土壌分析の質の著しい改善のみを可能にする。
【００１３】
さらに、測定は同時に行われ、これにより、時間に依存する測定誤差を最小限に抑えることができる。このような測定誤差は、さもないと、例えば、インピーダンス測定が土壌の局所的な温まりをもたらし、その温まりが次いで、異なる時間に行われた後続の温度測定の場合に歪んだ温度測定値につながると、生じる可能性がある。さらに、上記の異なる測定方法を組み合わせることで、個々の測定の測定データを組み合わせることによって、土壌特性が達成され、これは、現場測定のためのこれまでの可能性に勝る。また、同時測定は、完全に逐次的な個々の測定と比較して、測定プロセスに必要な合計時間を短縮する。
【００１４】
土壌試料を採取することまたは土壌試料を現場外の実験室へ持っていくことが不要であるため、土壌分析の結果を、可能な限り最短で、特にまた現場で、測定の経過においてすぐに利用可能にすることができ、これにより、分析結果が利用可能となるまでに大きな時間の遅れは不要である。
【００１５】
以下では、センサデバイスの好ましい実施形態を説明し、各実施形態は、明示的に除外されていない限りまたは技術的に不可能でない限り、あらゆる所望の形式で、互いに、かつ本明細書に記載される本発明の他の態様と組み合わせることができる。
【００１６】
いくつかの実施形態において、センサアセンブリは、分析される土壌のインピーダンススペクトルの現場検出のためのインピーダンスセンサを備える。センサアセンブリは、（ｉ）第１の支持部材と、（ｉｉ）第１の支持部材上に配置されているが、第１の支持部材からおよび互いから電気的に絶縁されており、そのうちの少なくとも一方は導電性の、耐食性ポリマーまたは複合材料を含む、２つの伝導性トラックと、（ｉｉｉ）制御デバイスと、を含む。制御デバイスは、２つの伝導性トラック間にＡＣ電圧を印加し、所定の周波数範囲にわたってＡＣ電圧の周波数を変化させ、その過程で、センサデバイスの動作中、伝導性トラックが分析される土壌と電気的に接触するようにセンサデバイスが分析される土壌に導入されたとき、伝導性トラックを介して分析される土壌に印加されるＡＣ電圧に応答して分析される土壌のインピーダンススペクトルを検出し、対応する測定データの形式でインピーダンススペクトルを提供するように、構成されている。このようにして、センサデバイスは、分析される土壌のインピーダンススペクトルを記録することができ、それを用いて、特に、様々な土壌の種類、土壌のテクスチャ、伝導率、含水量、イオン濃度およびイオンの種類を決定することができる。
【００１７】
支持部材上の伝導性トラックの特定の構造および伝導性トラックのための材料の特定の選択は、周囲の土壌への特に良好な電気的接触が達成されること、および土壌に関して、高い耐性、特に摩耗および腐食に対する耐性、したがって、センサデバイスの長い耐用年数を可能にする。
【００１８】
伝導性トラックは、特に、好ましくは２つの伝導性トラックが互いに平行に延びるように第１の支持部材に巻き付けることができ、これは、特に正確な解決手段であり、スペースの利用の観点からも最適である。ここで、「導電性」という用語は、物質が電流を伝導することができる程度を示す物理量を意味すると理解されることが意図されている。したがって、発明の意味において、「導電性」という表現は、（２５℃において）少なくとも１０６Ｓ／ｍである導電率、すなわち、少なくとも金属の伝導率と等しい導電率を意味すると理解されることが意図されている。
【００１９】
いくつかのさらなる実施形態では、第１の支持部材は、少なくとも伝導性トラックによって覆われた領域において導電性、特に金属的に伝導性であり、制御デバイスは、分析される土壌のインピーダンススペクトルの検出中に、この少なくとも１つの領域に地電位を印加するようにさらに構成されている。このようにして、外部電磁結合による、記録されたインピーダンススペクトルの信号歪みを低減または回避することもできる。この文脈において、地電位は、特に、例えば、センサデバイスの電源、例えばこの目的のために使用される電池の地電位（ゼロ電位）であることができる。
【００２０】
いくつかのさらなる実施形態では、所定の周波数範囲は、１００Ｈｚ〜１ＭＨｚの範囲を含み、これは、その幅および電磁スペクトル内の位置により、多数の異なる土壌特性について特に良好な結論が引き出されることを可能にするスペクトルを決定することを可能にする。
【００２１】
いくつかのさらなる実施形態では、第１の支持部材は、分析される土壌への少なくとも部分的な導入のために、少なくとも部分的に中空であるスパイクとして構成されている。加えて、スパイクの表面に絶縁層が提供されており、絶縁層の上に、次いで、２つの伝導性トラックが配置されており、特に巻き付けられている。制御デバイスは、第１の支持部材の中空部分の内部に配置されている。スパイクの形態の第１の支持部材の構成は、第１の支持部材が分析される土壌に少なくとも部分的に導入され（差し込まれ）、それによって、インピーダンスセンサの測定量トランスデューサとして機能する伝導性トラックを土壌と接触させることを可能にするように機能する。絶縁体によって、伝導性トラックは、互いにかつスパイクから電気的に切断されており、特に、上述したように、地電位に接続することができる。加えて、第１の支持部材の中空部分の内部では、制御デバイスは、特に土壌または環境の他の部分からの望ましくない影響、特に埃、水分、および腐食を引き起こす物質から保護されている。
【００２２】
いくつかのさらなる実施形態では、センサアセンブリは、分析される土壌の温度を検出するための温度センサを備え、温度センサは、インピーダンスセンサとともに、統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリとして構成されており、インピーダンススペクトルおよび分析される土壌の温度を同時にかつ現場で検出し、これをそれぞれ対応する測定データの形式で利用可能にするように構成されている。このようにして、少なくとも２つの異なる測定量が決定されるだけでなく、上記で説明したように、決定することができる土壌特性のスペクトルを拡大すること、および分析の質を改善することが可能となり、また、特に高い集積密度が可能になり、これにより、センサアセンブリを特に省スペースで構成することができる。
【００２３】
特に、温度センサまたはその一部は、制御デバイスと同様に、第１の支持部材の中空部分の内部に配置されており、そこで、制御デバイスと同様に、望ましくない外部影響から保護されている。
【００２４】
第１の支持部材および／または伝導性トラックのうちの少なくとも１つは、特に、温度測定プローブ（すなわち、測定量トランスデューサ）としても機能することができ、この目的のために、熱伝導形式で温度センサに接続することができる。好ましくは、第１の支持部材、または場合によっては、少なくとも１つの伝導性トラックは、したがって、良好な熱伝導率性を有する材料、特に金属、例えば、良好な熱伝導率を有するアルミニウム、ポリマーまたは複合材料を用いて構成されている。
【００２５】
いくつかの実施形態では、温度センサは、例えば、共通のＰＣＢまたは共通の集積回路上で制御デバイスに統合されており、これはやはり、特に、可能な限りその密度に関して最適化されるセンサデバイスの様々なセンサの測定量トランスデューサの配置を達成することも考慮して、センサデバイスの高い、したがって省スペースの統合の観点から有利である。
【００２６】
いくつかの実施形態では、温度センサは、第１の支持部材の導電性部分の内部に配置されており、これにより、温度センサは、ＡＣ電圧が印加されたときに伝導性トラックによって発生されるあらゆる電磁的相互作用から少なくとも部分的にシールドされており、その結果、測定精度を高めることができ、望ましくない干渉効果を打ち消すことができる。
【００２７】
いくつかの実施形態において、センサアセンブリは、分析される土壌の吸収スペクトルの現場検出のための吸光度計アセンブリを備える。これは、特に、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ干渉計をベースに構成された少なくとも２つのＭＥＭＳ吸光度計（すなわち、ＭＥＭＳ技術によって少なくとも部分的に製造され、特にＭＥＭＳ構成要素を含む吸光度計）を含み、そのスペクトルカバレッジは、少なくとも電磁スペクトルの一部について異なり、分析される土壌の吸収スペクトルは、ＭＥＭＳ吸光度計の全体によって総体的に検出することができ、この吸収スペクトルは、ＮＩＲ範囲の部分、ＶＩＳ範囲の部分およびＵＶ範囲の部分も有する。特に、スペクトルカバレッジは、ＮＩＲ範囲からＵＶ範囲まで中断することなく広がることができ、特に３５０ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲を含むことができ、これにより、一般に、特に土壌分析に関連するスペクトル範囲内で特に高度に分化する測定を可能にする。
【００２８】
いくつかの実施形態では、吸光度計アセンブリは、可動キャリア、特に回転可能および／または並進移動可能なキャリアをさらに備え、このキャリアに吸光度計が配置されており、センサデバイスの測定動作中に分析される土壌が静止する仮想測定面に対してキャリアが移動させられると、吸光度計によってスキャンされる土壌の領域を分光式に測定することができ、スキャンされる領域上に統合された吸収スペクトルを検出する。このようにして、統計学的観点からより良好に使用可能でありかつより正確な結果を達成することができ、土壌の可能な限り最大の面積を、理想的には可能な限り最小距離でスキャンすることができる。回転可能なキャリアの場合、測定される吸収スペクトルを、特にキャリアの回転角度にわたって、また並進移動の場合、特にこの並進移動の距離にわたって、積分または平均化することができる。このようにして、土壌の非特定の特質、例えば、小石または枝などは、平均的に、得られる測定結果に対する減じられた影響、特に小さな影響のみを有し、この影響は、加えて、特に標的を絞ったフィルタリングによって、例えば閾値によって、少なくとも大部分を排除することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの電磁放射線源も可動キャリア上に配置されており、この電磁放射源は、測定作動中に、電磁放射によって、測定される吸収スペクトルを発生させるために測定面に対するキャリアの移動中に吸光度計によってスキャンされる土壌の領域を照射するように構成されている。このように、一方では、移動による土壌の拡大された領域をスキャンすることが可能であるが、他方では、吸光度計に対する放射源の相対的な位置決めを変更しないでおくことが可能であり、これは特に、測定精度を高めることができ、また、調整の必要性を低減または回避するのに役立つことができる。
【００３０】
いくつかの実施形態において、吸光度計アセンブリは、可動シャッターデバイスをさらに備える。これは、吸光度計と測定面との間に画定された空間にスクリーンを一時的に移動させるように構成されており、少なくとも１つ、好ましくは全ての吸光度計の校正のために、吸光度計に面したスクリーンの側に、特に、例えばスペクトラロンなどの校正基準が配置されている。これにより、センサデバイスは、例えばある所定の回数の測定手順の後、特に、現場土壌分析自体に関連して、（例えば、暗電流および基準構成によって）自ら自動的に校正することができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、吸光度計アセンブリは、検出される吸収スペクトルに対応する波長範囲において少なくとも実質的に透明な光学系も有し、この光学系は、吸光度計と測定面とを互いに空間的に分離させるために、吸光度計と測定面との間の空間に配置されている。測定面に面した側において、光学系には親水性ナノコーティングが設けられており、親水性ナノコーティングは、特に、光学系の本体を形成する材料と比較すると、より高い引っかき抵抗性を有してもよい。できるだけ高い引っかき抵抗性を達成するために、光学系は特にサファイアガラスから作ることもできる。空間分離は、特に、吸光度計、ならびに該当する場合、シャッターデバイスを、例えば分析される土壌からの望ましくない外部影響（特に埃、水分、機械的影響）から保護するために機能する。
【００３２】
いくつかの実施形態では、センサアセンブリは、分析される土壌の酸性または塩基性の性質、特にｐＨ値の現場検出のための電位測定アセンブリを含む。これには以下のもの、すなわち（Ｉ）第２の支持部材、（ｉｉ）第２の支持部材内または第２の支持部材上に配置された電解質／金属基準電極、（ｉｉｉ）測定動作中に分析される土壌に接触することが意図された第２の支持部材の表面上に配置された金属酸化物電極、（ｉｖ）金属酸化物電極と電解質／金属基準電極との間において第２の支持部材上に配置され、かつ電解質／金属基準電極と接触している、イオンダイアフラム、（ｖ）分析される土壌と接触するように提供された第２の支持部材の表面上に配置されており、かつ金属酸化物電極から電気的に絶縁されている、耐食性校正電極、および（ｖｉ）測定デバイス、が含まれる。測定デバイスは、（ａ）金属酸化物電極の電流状態を決定するように、校正電極と金属酸化物電極との間に生じる電気抵抗を測定するように、かつ／またはこれらの２つの電極がそれぞれ分析される土壌と接触しているときに、それらの間に生じる電気容量を測定するように、ならびに（ｂ）これらの２つの電極がそれぞれ分析される土壌と接触しているときに、金属酸化物電極の決定された電流状態に基づいて予め決定された測定構成を考慮に入れながら、基準電極と金属酸化物電極との間に生じる電位差を測定するために、分析される土壌の酸性または塩基性の性質、特にｐＨ値を決定するように、構成されている。
【００３３】
電位測定アセンブリによる土壌の酸性または塩基性の性質の測定は、それに応じて、上記の補助特徴（ｂ）に従って、基準電極と金属酸化物電極との間に生じる電位差が測定されるように動作中に行うことができる。この電位差は、測定プロセス中に２つの電極と接触する土壌の酸性または塩基性の性質に依存し、したがって、電位差を土壌の酸性または塩基性の性質の測定に使用することができる。測定された電位は、２つの電極間の酸化還元電位に対応するか、または少なくとも２つの電極間の酸化還元電位に従って変化し、関連する化学酸化還元方程式は以下の通りである。
【化１】
2021521461.tif 000003
【００３４】
ここで、「Ｍｅ」の略語は金属を表す。したがって、電位差は、金属酸化物／金属ベースのセンサ、特にｐＨセンサの特定の電気化学特性に依存し、それによって、金属酸化物／金属システムは、特に、Ｓｂ２Ｏ３／Ｓｂ、ＩｒＯ２／ＩＲ、ＴＩＯ２／ＴＩ、またはＲｕＯ２／Ｒｕであり得る。これらの材料は、直接酸化または還元依存性を示すと同時に、土壌中の周囲の水素イオン濃度（ｐＨ値）に関して良好な導電性を有する。したがって、それらの酸化還元電位は、基準電極と相関させることができ、これから土壌の酸性または塩基性の性質またはｐＨ値を決定することができる。また、金属酸化物電極の材料は、前述の材料系の場合のように、（土壌に関する）耐摩耗性および耐衝撃性が良好であるように選択されることが好ましい。
【００３５】
酸化還元電位差は、イオンダイアフラムを通じて２つの電極間を流れるイオン電流を測定することによって決定され、この場合、測定可能性および測定精度の向上の目的のために、測定される前に、おそらく非常に弱い電流を変換または増幅させるために、インピーダンス変換器または増幅器が追加で提供されることが好ましい。また、イオン電流がイオンダイアフラムを通って流れるために可能な限り最大の断面積を提供するために、イオンダイアフラムの大きさは、（第２の）支持部材の大きさに対して可能な限り大きく選択されることが好ましい。
【００３６】
しかしながら、一般に、金属酸化物は、酸または塩基に対する制限された耐食性のみを有し、これにより、土壌分析に使用されるとき、金属酸化物電極が次第に劣化することが多く、これは特に、金属酸化物電極の層厚の減少につながる可能性があり、結果として、電気抵抗、ひいては電流強度、さらには測定結果の変化をもたらす。したがって、測定デバイスは、補助的な特徴（ａ）によれば、校正電極と金属酸化物電極との間に生じる電気抵抗（または伝導性）および／またはそれらの間に生じる電気容量を測定することによって、両者それぞれが分析される土壌と接触し、したがって、分析される土壌が両電極を電気的に接続している間に、金属酸化物電極の電流状態、特に電流層厚を決定するようにさらに構成されている。測定は、特に、周期的に行うことができる。土壌の導電性および／または容量は、事前に知られていない場合、特に上述のセンサデバイスのインピーダンスセンサによって決定することができ、したがって、金属酸化物層の導電性または電気抵抗または容量は、上述の測定によって測定デバイスによって決定することができ、これは、金属酸化物電極の伝導率または容量が、その金属酸化物層の厚さと直接相関していることによる。したがって、長期間にわたってさえ、金属酸化物の分解にもかかわらず測定精度を保証するために、測定は、必要であれば、特に予防的かつ周期的な形式で、金属酸化物電極の状態の測定に基づいて、測定デバイスによって再校正することができる。
【００３７】
いくつかの実施形態では、校正電極は、導電性でかつ耐食性のポリマーおよび／または複合材料を含有する材料から形成される。これらの材料は、特に低重量、高耐食性、長い耐久性および校正基準としての安定性などの利点を提供することができる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、第２の支持部材は、分析される土壌に少なくとも部分的に導入するためのスパイクとして構成されており、この場合、スパイクの表面に絶縁層が提供されており、この絶縁層上に、金属酸化物電極、イオンダイアフラムおよび／または校正電極が配置されている。これにより、特にコンパクトな実装が達成される。加えて、電解質／金属基準電極は、有利には、（第２の）支持部材、すなわちスパイクの内部に配置することができ、これにより、望ましくない外部影響から保護することができる。
【００３９】
いくつかの実施形態において、センサデバイスは、取得された測定データを、評価のために、センサデバイスに関して外部にあるカウンターパートへ送信するための通信デバイスをさらに備える。カウンターパートは、特に、例えば、クラウド環境における別個の評価デバイスもしくはリモートコンピューティングプラットフォーム、またはバックエンドサーバもしくは分散型コンピュータネットワークであることができる。このようにして、土壌分析の最終結果を決定するための測定データのさらなる処理を、センサデバイスからアウトソーシングすることができ、これは、特に、複雑で時間のかかる計算が必要な場合に有用である可能性があり、このような計算は、センサデバイス自体によってローカルで行うよりも、中央または専門のコンピューティングシステムによって、より迅速にまたは良好に行うことができる。
【００４０】
しかしながら、他の実施形態では、測定結果の評価に必要な機器をセンサデバイス自体に設けることも同様に可能である。しかし、この場合でも、少なくとも、センサデバイスの評価および／または制御のために使用されるソフトウェアのリモートアップデートを可能にするために、上述の通信デバイスをセンサデバイスに設けることが有用であり得る。
【００４１】
いくつかの実施形態では、通信デバイスは、ＬｏＲａ無線技術および／またはＮＢ−ＩｏＴ（ＮａｒｒｏｗＢａｎｄ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）無線技術に基づく通信によって、測定データを無線で送信するように構成されている。特に、これらの技術は、センサデバイスが、例えば従来のモバイル無線を介する他の無線データカバレッジが存在しないまたは十分に提供されていない場所で使用されることが意図されている場合、特に有利である。上記の無線技術は、従来の移動無線技術の最大範囲（端末−基地局）の約２倍の、最大３０ｋｍの距離にわたる無線データ伝送を可能にする。エネルギー消費は、一般に非常に低いため、これらの技術は、特にバッテリー駆動式モバイルデバイスおいても有用に適用することができる。さらに、少なくとも、多くの国においてライセンスフリーベースでＬｏＲａ技術の使用が可能であり、これは運用コストに対する望ましい効果をもたらす。
【００４２】
通信デバイスは、特に、データ、特に土壌分析の結果に関連するデータを受信するように構成されてもよく、このデータは、デバイスの外部で決定されており、これにより、対応する情報が、センサデバイス自体において、適切なマンマシンインタフェースにおいて、例えば、ディスプレイデバイスまたは光学または音響出力デバイスにおいて、現場でユーザに利用可能となる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、センサデバイスは、不正アクセスに対して保護された、センサデバイスの固有デバイス識別を記憶するための安全な記憶デバイス、および／または通信デバイスによって伝送される測定データおよび／またはメタデータを暗号化するための少なくとも１つの暗号キーをさらに含む。メタデータは、特に、センサデバイスによって現場で行われる測定の位置、時点および／または測定モード、ならびにデバイス識別またはユーザ識別を表すことができるが、これに限定されない。特に、このようにして、通信デバイスを介した通信、特に、「中間者」攻撃に対して保護された通信、および不正変更に対して保護されたデバイスアイデンティティを実現することができる。
【００４４】
いくつかの実施形態では、通信デバイスは、外部カウンターパートとして機能するブロックチェーンに、送信される測定データおよび／またはメタデータを書き込むように、または別の外部カウンターパートに、送信される測定データおよび／またはメタデータをブロックチェーンに書き込ませるようにさらに構成されている。これらの実施形態は、特に、法的観点から信頼できる方法での測定結果の文書化に関して有利である。加えて、これらの実施形態は、特に、得られた測定結果または土壌分析結果のその後の偽造に対する保護に関して、通信の保護が達成されることも可能にする。
【００４５】
いくつかの実施形態では、センサデバイスは、センサデバイスのユーザの認証を実行し、認証が成功した場合にのみ、測定データおよび／またはメタデータの外部カウンターパートへの送信を許可するように構成されている。この手段は、特に測定データの偽造に関する攻撃から測定結果の通信および文書化を保護するために使用することもできる。上記の１つ以上の保護手段の使用により、法的な観点から信頼性があり、場合によっては法律で要求されることがある測定結果の文書化を達成するための要件を満たすことができる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、センサデバイスは、センサデバイスの現在の位置を決定し、位置を特徴付ける対応するメタデータを提供するための位置決定デバイスをさらに含む。特に、これにより、測定データとともに、対応するメタデータによって測定の位置を提供することも可能になる。さらに、センサデバイスの空間位置に関するモニタリングをこのようにして行うことができ、これは、誤用、特に許可されていない人物による誤用に対する追加的な保護も提供する。
【００４７】
いくつかの実施形態では、センサデバイスは、ポータブルユニットとして構成される。これは、特に、デバイスの寸法および重量が、人間の使用者が過度の問題なく、例えば農地における測定場所へ容易にデバイスを運ぶことを可能にすることを意味する。したがって、理想的には、各方向におけるセンサデバイスの寸法は、最大で数デシメートル、例えば、＜５０ｃｍであり、重量は、好ましくは２５ｋｇ未満、理想的には１０ｋｇ未満である。このようにして、センサデバイスは、車両または他の操作デバイスの助けなしに、非常に柔軟な形式で使用することができる。
【００４８】
本発明の第２の態様は、土壌分析の方法であって、
（ｉ）分析される土壌の以下の土壌特性、すなわち（ａ）インピーダンススペクトル、（ｂ）温度、（ｃ）ＮＩＲからＵＶまで広がるスペクトル範囲における吸収スペクトルＮＩＲ−ＶＩＳ−ＵＶ、（ｄ）酸性または塩基性の性質のうちの少なくとも２つ、好ましくは少なくとも３つ、またはすべてに関する測定データを受け取り、かつ（ｉｉ）決定される少なくとも１つの土壌特性のためのそれぞれの測定結果を得るために、データ融合によって、受け取った測定データの組合せに基づき、測定データから導き出される、土壌特性のうちの少なくとも１つまたは少なくとも１つの土壌特性を決定する、ことを含む、土壌分析の方法に関する。したがって、この方法を用いることにより、データ融合の枠組み内で前記土壌特性に関する測定結果をリンクさせることが可能であり、この場合、前記土壌特性が、少なくともいくつかの組み合わせについて、それらの間に相関関係があるように選択され、この相関関係を、土壌分析に関してより正確または追加の結果を得るためにデータ融合の枠組み内で使用することができる、ということが再び指摘されなければならない。特に、データ融合は、ファジー論理および／または１つ以上の人工ニューラルネットワークに基づいて行うことができる。
【００４９】
このいくつかの実施形態では、測定データは、本発明の第１の態様による、特に、説明されるその実施形態のうちの１つ以上によるセンサデバイスによって取得される。次いで、方法は、測定データの取得のための実際の現場測定に従い、この目的のために、センサデバイスは、特に、上述のように、測定データ、ならびに該当する場合、追加のメタデータを、対応する通信リンクを介してその通信デバイスを介して、方法を実行する中央のまたは空間的に分散されたデバイスに送信することができる。
【００５０】
いくつかの実施形態では、本方法は、ネットワーク、特にクラウド環境または分散コンピュータネットワークの少なくとも１つの中央ノードにおいて実行され、この少なくとも１つの中央ノードは、それぞれの測定データを受信するために、それぞれの測定データを取得するために、特に本発明の第１の態様によれば、複数のセンサデバイスと通信接続するように構成されている。これは、特に、方法を実施するためのリソースの強力かつ可変的な使用を可能にする。また、方法の実行のために使用されるソフトウェアの変更、特にアップデートは、したがって、それぞれの各センサデバイスに分散させられる必要なく中央において実施することができ、これにより、システム全体を容易にさらに発展およびアップデートさせることができる。
【００５１】
本発明の第３の態様は、プロセッサプラットフォームにおいて動作させられているときに、本発明の第２の態様による方法、特に、その説明される実施形態の１つ以上による方法を実施するように構成されたコンピュータプログラムに関する。プロセッサプラットフォームは、１つまたは複数のプロセッサを含んでもよく、例えば、１つのコンピュータにおいてローカルの中央化された形式において、または逆に、分散化された分散型コンピュータネットワークにおいて実行されてもよい。特に、プロセッサプラットフォームおよびコンピュータプログラムは、方法を実施することを可能にするために、センサデバイス自体にも存在してもよい。
【００５２】
コンピュータプログラムは、特に、不揮発性データキャリアに格納されてもよい。好ましくは、これは、光学データキャリアまたはフラッシュメモリモジュールの形態のデータキャリアである。これは、コンピュータプログラム自体が、１つ以上のプログラムが実行されるプロセッサプラットフォームとは独立してトレードされることを意図している場合に有利であることがある。異なる実施態様では、コンピュータプログラムは、データ処理ユニット、特にサーバにおけるファイルとして提供されてもよく、データ接続、例えばインターネット、または独占またはローカルネットワークなどの専用のデータ接続を介して、ダウンロードすることができる。さらに、コンピュータプログラムは、複数の相互作用する個々のプログラムモジュールを含んでもよい。
【００５３】
本発明の第４の態様は、土壌分析のためのデバイスであって、このデバイスは、本発明の第２の態様による方法、特にその記載された実施形態の１つ以上による方法を実施するように配置されている、土壌分析のためのデバイスに関する。デバイスは、特に、前記プロセッサプラットフォームを含んでもよく、したがって、特に、コンピュータ、または分散させられた分散型コンピュータネットワークなどの１つのデータ処理ユニットを含んでもよい。
【００５４】
特に、いくつかの実施形態では、デバイス自体は、測定データを取得するために、本発明の第１の態様による、特にその記載された実施形態のうちの１つ以上によるセンサデバイスを含んでもよい。これは、特に、土壌分析に関するさらなる結果を得るための測定データの分析が、現場で、すなわち、センサデバイス自体の場所で行われる場合に有利であり、これは、特に、オフライン動作、および外部プロセッサプラットフォームへの通信リンクの品質から独立したこのような結果の決定も可能にする。
【００５５】
本発明の第２の態様に関して説明される特徴および利点は、本発明の第３の態様および第４の態様に同様に当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
本発明のさらなる利点、特徴、および可能な用途は、図面に関連する以下の詳細な説明から明らかになる。
図面中：
【図１】本発明の一実施形態によるセンサデバイスを概略的に示す。
【図２】測定モジュールに加えて動作／無線モジュールが提供されている、本発明のさらなる実施形態によるモジュラー様式で構成されたセンサデバイスを概略的に示す。
【図３Ａ】本発明の一実施形態によるセンサデバイスのための統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリを概略的に示す。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態によるセンサデバイスのための統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリのための簡略化された等価回路図を示す。
【図４】本発明の一実施形態によるセンサデバイスのための、電位測定アセンブリ、特にｐＨセンサアセンブリを概略的に示す。
【図５】本発明の一実施形態による、センサデバイスのための吸光度計アセンブリを概略的に示す。
【図６】本発明の一実施形態による、土壌分析のための全体的なシステムの概略図を示す。
【図７】例として、図１または図２によるセンサデバイスのセンサによって検出することができる、個々の測定量の間の様々な相関関係の概要を示し、これにより、様々な土壌特性を、本発明による方法によるデータ融合の範囲内で決定することができる。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
図面において、本発明の同じ要素または相互に対応する要素に対して、同じ参照符号が全体を通じて使用されている。
【００５８】
本発明の一実施形態による、図１に示されたセンサデバイス１は、１つのモジュールとして構成されており、このモジュール自体は、共通のハウジング２において複数のアセンブリ、特にセンサアセンブリを含む。これらのアセンブリの第１のアセンブリは、ロッド状またはスパイク状の第１の支持部材内に少なくとも部分的に構成され、分析される土壌に差し込むように構成された、組み合わされたインピーダンス／温度センサアセンブリ３である。アセンブリのさらなる１つは、第１の支持部材と同様に、ロッド状またはスパイク状の形状を有し、同様に分析される土壌に差し込むように構成された第２の支持部材によって形成された電位測定アセンブリ４、特にｐＨセンサアセンブリである。これらの２つのアセンブリ３と４の間、ならびにそれらのすぐ近くに、吸光度計アセンブリ５が、アセンブリのさらなる１つとして配置されており、この吸光度計アセンブリ５は、第１および第２の支持部材が両方とも分析される土壌に差し込まれたら、土壌の上またはその上方に静止するように位置決めされた測定窓を有する。したがって、３つのセンサアセンブリは、小さな面積、好ましくは１００ｃｍ２未満の総面積に集中させられており、これにより、測定結果への、分析される土壌中の異質性の影響を低く抑えることができ、特に最小限に抑えることができる。センサデバイス１は、好ましくは２５ｋｇ未満の重さで、１ｍ未満の最大範囲、好ましくは０．５ｍの最大範囲を有するモバイルユニット、特にポータブルユニットとして構成されている。加えて、センサデバイス１は、特に、例えばリチウムイオン電池等の充電式電気化学エネルギー貯蔵デバイスの形態で構成することができるエネルギー供給デバイス（図示せず）を有する。
【００５９】
個々のアセンブリ、特にセンサデバイス１のセンサアセンブリ２、３および４は、個々に取外し可能または交換可能なモジュールとしてそれぞれ構成することもでき、これは特に、異なるセンサ構成を単純かつダイナミックな形式で生成すること、ならびに経年劣化または保守性の状態に応じて個々のセンサアセンブリを個々にメンテナンスまたは交換することを可能にする。
【００６０】
したがって、測定ごとに、センサデバイス１は、対応する測定データを取得するために、最大４つの異なるセンサタイプおよびそれらの異なる測定原理の使用を可能にし、それに基づき、相関またはデータ融合を利用して、土壌特性の直接測定に勝る土壌特性の決定を、いずれにしても多くの用途にとって十分に高い精度で、現場で達成することができる。特に、例えば、測定される土壌のインピーダンス、土壌温度、スペクトル範囲全体におけるその吸収スペクトルＵＶ−ＶＩＳ−ＩＲ、ならびにそのｐＨ値を、同時にかつ可能な限り最小の空間において測定することができる。まさに、様々なセンサアセンブリ２、３および４の測定量トランスデューサのこの近接した配置こそが、典型的な用途、特に農業技術用途に必要な精度で土壌特性を決定する目的で測定データの相関を成功させることを可能にする。加えて、測定量トランスデューサの密な配置はまた、超高解像度の土壌マップ、すなわち、１００ｃｍ２グリッドセルエリア未満のグリッドを有する土壌マップを生成することを可能にする。測定される異なる量を同時に検出することにより、個々の測定値間のダイナミックでかつ真実の依存性を表すことも可能になる。特に、測定アーチファクトは、したがって、元の測定結果の質をさらに向上させるために、適切な評価ソフトウェアによって、例えば人工知能に基づいて、既に現場で認識および除去することもできる。
【００６１】
図２は、本発明のさらなる実施形態による、モジュール形式で構成されたセンサデバイス１を示す。センサデバイス１は、センサモジュール６ａに加えて、解放可能な接続によってセンサモジュール６ａに結合することができる操作／無線モジュール６ｂも有する。２つのモジュール６ａおよび６ｂは、図２において、一方が別個のモジュール（左下）として、他方が接続状態（右上）にあるものとして示されている。２つのモジュール６ａおよび６ｂのハウジングは、好ましくは、２つのモジュールが互いに接続されているとき、運搬または操作ハンドル１０が接続領域に形成されるように構成されており、この運搬または操作ハンドル１０は、人間の手によって容易に掴むことができ、特に包み込むことができ、これは、分析のために土壌に差し込まれたセンサデバイス１を土壌から除去するのにも特に適している。図２に示されるように、ハンドルは、特に、２つのモジュール６ａと６ｂとの間の接続領域におけるセンサデバイス１の断面の減少として構成することができる。動作／無線モジュール６ｂは、位置決めデバイス７を備え、位置決めデバイス７を利用することにより、特に測定プロセス中にセンサデバイス１の位置を判定し、例えば、ＧＰＳ、ガリレオまたはＧＬＯＮＡＳＳなどの衛星ベースの位置認識システムと協力して、または移動式無線補助ポジショニングを利用して、測定に属するメタデータとして対応する位置データを生成することが可能である。
【００６２】
加えて、操作／無線モジュール６ｂは、通信デバイス８を備える。通信デバイス８は、特に、センサデバイス１によって取得された測定データをさらなる評価のために外部データ処理センターに送信するために、次いで、場合によっては、そのような評価から生じた土壌分析結果を受信し、それらをセンサデバイス１自体においてマンマシンインタフェース９で出力するために、モバイル無線技術（例えば、３Ｇ、ＬＴＥ、５Ｇ）またはＬｏＲａおよび／またはＮＢ−ＩｏＴなどの別の無線技術を介して、外部カウンターパートとのデータ通信を行うように設定することができる。このようなマンマシンインタフェース９は、制御ディスプレイとして、好ましくは可能な限り多くのスペースを節約する解決手段に関して、特にセンサデバイス１におけるディスプレイデバイスの形態で提供することができ、この制御ディスプレイは、場合によっては、例えばタッチスクリーンによってユーザ入力および情報の出力を可能にする。
【００６３】
図３Ａは、本発明の一実施形態によるセンサデバイスのための統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリ３を示し、この統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリ３は、分析される土壌１１に差し込まれ、特に図１または図２に示されたようにセンサデバイス１内に設けられてもよい。これに伴い、図３Ｂは、インピーダンス／温度センサアセンブリ３のインピーダンス測定分岐のための簡略化された等価回路図を示す。
【００６４】
図３Ａのセンサアセンブリ３は、特に金属、好ましくは耐食性金属から形成することができるスパイクの形態の第１の支持部材１２を備える。スパイクは、特に、実質的に円筒形の形状を有してもよく、差込み動作を容易にするために、土壌に差し込むことが意図された端面において先細りにされてもよい。パッシベーション層１３が、一般に差し込まれた状態において周囲の土壌と接触する表面領域において第１の支持部材１２に設けられており、このパッシベーション層１３は、特に１つ以上のポリマー材料を含んでもよく、電気絶縁体として作用する。パッシベーション層１３上には、２つの伝導性トラック１４が、互いに平行にかつ互いに接触することなく、第１の支持部材１２の周囲に巻き付けられている。したがって、２つの伝導性トラック１４は、パッシベーション層１３によって支持部材１２から電気的に絶縁されている。土壌に差し込むことができる先端とは反対側の端部において、インピーダンス／温度センサアセンブリ３は、支持部材１２の内部に配置されかつ支持部材１２の上側に配置された金属キャップ１６（金属ハウジング）によって保護されたプリント基板（ＰＣＢ）１５を備え、このプリント基板（ＰＣＢ）１５上には、集積回路または半導体センサコンポーネントの形態で、制御デバイス１５ａ、信号プリアンプ１５ｂおよび温度センサ１５ｃが設けられている。金属キャップ１６は、機械的保護のためだけでなく、内部に配置された温度センサ１５ｃ、制御デバイス１５ａおよび信号プリアンプ１５ｂのための電磁シールドとしても機能する。センサアセンブリ３を制御するために機能する他、制御デバイス１５ａは、インピーダンスを測定し、対応する測定データを提供するためにも機能し、制御デバイス１５ａは、信号プリアンプ１５ｂを介して２つの伝導性トラック１４の各々に電気的に接続されている。温度センサ１５ｃも伝導性トラック１４に接続することができ、この場合、伝導性トラック１４は、第１の支持部材１２に加えてまたはその代わりに、温度センサ１５ｃのための測定量トランスデューサとして機能する一方、いずれにしても、伝導性トラック１４は、インピーダンス測定のための測定電極として機能する。
【００６５】
したがって、インピーダンス／温度センサアセンブリ３は、そのインピーダンス測定分岐に関する限りで、図３Ｂに記載された簡略化された等価回路図によって説明することができる。インピーダンス測定プロセスの間、２つの伝導性トラック１４の第１の伝導性トラック１４ａと、対応する第２の伝導性トラック１４ｂとの間に、制御デバイス１５ａによって所定の交流測定電圧が印加される。測定プロセスの間、伝導性トラック１４が配置された第１の支持部材１１が、分析される土壌１１に差し込まれるので、したがって、２つの伝導性トラック１４ａ、１４ｂは、それらを取り囲む土壌１１と電気接触し、これにより、土壌１１が、電気抵抗器Ｒｅｌの意味で２つの伝導性トラック１４ａ、１４ｂを接続する。等価回路図において、２つの伝導性トラック１４ａ、１４ｂはそれぞれ、電気抵抗ＲＣＴ１およびＲＣＴ１自体と、並列に接続された（寄生）容量ＣＤＬおよびＣＤＬ２とを有する。図３Ｂに示された関係により、これに対応して、印加されたＡＣ測定電圧の周波数ωの関数として、インピーダンススペクトルＺ（ω）を決定することができる。インピーダンススペクトルＺ（ω）を取得するために使用される周波数範囲は、用途に応じて選択することができ、一般に、１００Ｈｚ〜１ＭＨｚの周波数範囲を含む。第１の支持部材１２は、理想的には、インピーダンス測定プロセス中に地電位に接続され、この目的のために、例えば、センサデバイス１の電源のニュートラル端子に電気的に接続され、これは、外部電磁結合によって引き起こされるＺ（ω）の信号歪みに反作用する。
【００６６】
得られたこのインピーダンススペクトルＺ（ω）に基づいて、土壌タイプ、土壌テクスチャ、導電性、含水量、イオン濃度、およびイオンタイプに関する区別を、さらなる評価、特に、誘電性混合物モデル（例えば、Ｂｒｕｇｇｅｍａｎモデル、Ｍａｘｗｅｌｌ  Ｇａｒｎｅｔｔモデル）によって、達成することができる。このようにして定量的評価も可能である。インピーダンス測定と同時に、加えて温度センサによって温度測定を行うことができ、これは、すでに述べたように、２つの伝導性トラック１４および／または第１の支持部材１２が、測定量トランスデューサとして機能することができることによる。すでに、インピーダンス／温度センサアセンブリ３は、いくつかの実施形態では、特に、センサデバイス１のセンサの全体、またはセンサデバイス１自体を表すことができる。
【００６７】
図４は、分析される土壌１１に差し込まれる、特に図１または図２によるセンサデバイス１に設けられてもよい、本発明の実施形態による電位測定アセンブリ４、特にｐＨセンサアセンブリを示す。電位測定アセンブリ４は、スパイクの形態の第２の支持部材１７を備え、その形状は、特に、インピーダンス／温度センサアセンブリ３の第１の支持部材１２の形状に実質的に対応してもよい。パッシベーション層１８、特に（例えば、ＨＤＰＥの）ポリマーパッシベーションが、第２の支持部材１７の表面部分に設けられており、この表面部分は、差し込まれた状態において、分析される土壌１１と接触することが意図されている。
【００６８】
このパッシベーション層１８には、一方では金属酸化物電極２１と、校正電極２２とが環状の伝導性トラックの形態で配置されており、これらを用いることにより、特にインピーダンス／温度センサアセンブリ３によって決定することができる土壌１１の電気抵抗が既知であるならば、金属酸化物電極２１の状態、特に層厚を、土壌１１を介して電気的に結合された２つの電極２１および２２の間の抵抗測定または伝導率測定によって決定することができる。次いで、層厚は、土壌１１の酸性または塩基性の性質、特にｐＨ値の実際の測定のための校正量として使用することができる。特に、測定は、各ｐＨ測定の前に、または所定の時間間隔で周期的に行うことができる。このようにして、電位測定アセンブリは、独立して（現場）自動校正を行うことができる。
【００６９】
金属酸化物電極２１と、校正電極２２とは、特に金属から形成されてもよい第２の支持部材１７からおよび互いから、パッシベーション層１８によってそれぞれ電気的に絶縁されている。校正電極２２は、特に、伝導性ポリマー材料および／または伝導性複合材料を含有してもよく、または全体的にこれらの材料から形成されてもよい。金属酸化物電極２１と、校正電極２２とはそれぞれ、特に関連する電極２１および２２と同じ材料から形成されてもよい電気接点２１ａおよび２２ａをそれぞれ備える。
【００７０】
電位測定によって土壌の酸性または塩基性の性質を測定するために、電位測定アセンブリ４は、電解質／金属基準電極１９（例えば、ＡｇＣｌ／Ａｇ電極）をさらに含み、電解質／金属基準電極１９は、第２の支持部材１７の一部としてまたは第２の支持部材１７の補足部として構成された金属ハウジング２３（金属キャップ）に配置された構成要素として、電解質基準電極としての、液体またはペースト状の電解質１９ａを受容するための電解質容器１９ｂと、電解質容器１９ｂおよび電解質容器１９ｂ内に配置された電解質１９ａと導電的に接触した金属基準電極１９ｃとを含む。特に、基準電極１９の堅牢な機械的保護は、金属ハウジング２３によって達成される。
【００７１】
金属酸化物電極２１と、電解質／金属基準電極１９と、第２の支持部材１７の表面においてこれらの間に配置されかつ電解質／金属基準電極１９とイオン伝導接触しかつ測定プロセス中に周囲の土壌１１を介して金属酸化物電極とイオン伝導接触させられることもできるイオンダイアフラム２０との組み合わせは、上記ですでに言及した化学的酸化還元反応に基づき土壌１１の酸性または塩基性の性質を測定するための測定デバイスを表す。
【化２】
2021521461.tif 000004
この反応の反応平衡は、土壌１１に存在する水素イオン（Ｈ＋）の濃度によっても大いに決定され、これにより、土壌におけるＨ＋イオン濃度、したがって土壌のｐＨ値を、金属酸化物電極２１の状態の記載された測定に基づく校正を考慮に入れて、測定中に生じるイオン電流または金属酸化物電極２１と電解質／金属基準電極１９との間に生じる電位差によって決定することができる。
【００７２】
図５は、特に図１または図２によるセンサデバイス１であることができる本発明によるセンサデバイスのための吸光度計アセンブリ５を概略的に示す。これに従って、以下では、センサデバイス１が再び参照される。吸光度計アセンブリ５は、軸Ａを中心に回転可能であり、かつ２つのセンサアセンブリ３および４の間においてセンサデバイス１のハウジング２に取り付けられた、実質的にディスク状のキャリア２４を備え、キャリア２４の１つのディスク表面は、ハウジング２の開口部に面し、ハウジング２の開口部は、吸光度計アセンブリ５の測定開口部または測定窓として機能する。その外側幾何学的境界に位置するこの開口部の仮想領域は、測定面Ｍと称することもでき、測定面Ｍは、測定動作において一般に、図５に破線で示された分析される土壌１１の表面に対して少なくとも実質的に平行に位置するまたは分析される土壌１１の表面と一致する。キャリア２４は、測定動作中に土壌の表面より上方に位置するようにこの測定面Ｍに対して位置決めされており、ハウジング２の形状によって最小距離が規定される。測定面に面したキャリア２４の側において、２つ（または３つ以上）の個々のＭＥＭＳ吸光度計２６ａ、２６ｂがキャリア２４に配置されており、各ＭＥＭＳ吸光度計２６ａ、２６ｂは、異なるスペクトル範囲を少なくとも部分的にカバーし、総体的に、特に３５０ｎｍ〜１７００ｎｍのスペクトル範囲を含むスペクトル範囲ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲをカバーする。吸光度計を製造するためのＭＥＭＳ技術の使用は、特に小さな、したがってスペース効率のよい実施形態の製造を可能にする。
【００７３】
加えて、電磁放射のためのソース２５、例えばハロゲンランプが、キャリア２４の同じ側に設けられており、ハロゲンランプの放射は、スペクトル範囲ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲをカバーする。ソース２５および吸光度計２６ａ、２６ｂは互いに関して配置されているまたはキャリア２４に形成されたスクリーンによって互いに光学的に分離されており、これにより、ソース２５の放射は、反射された放射の形態で間接的な形式でのみ吸光度計２６ａ、２６ｂに達することができる。
【００７４】
加えて、吸光度計アセンブリ５は、保護光学系２７を備え、この保護光学系２７は、特に、言及したスペクトル範囲において少なくともほとんど透明である引っかき抵抗性材料からなるディスク、例えばサファイアガラスディスクの形態で構成することができ、引っかき保護を向上させる親水性ナノコーティングを備える。ナノコーティングは、光学系をよりクリーンに保つことを容易にし、これは光学系をクリーンにすることがより容易であることを意味し、また、ナノコーティングは光学系の機械的堅牢性を高める。保護光学系２７は、光学構成要素２５、２６ａ、２６ｂがその上に配置されたキャリア２４と、（キャリア２４から例えば約３ｃｍの距離における）測定面との間に配置されており、保護光学系２７は、埃、水分および機械的に生じる損傷などの、特に分析される土壌１１からの有害な外部影響に対して光学構成要素を保護することができる。
【００７５】
さらに、吸光度計アセンブリ５は、閉鎖またはシャッターデバイス２８を備え、この閉鎖またはシャッターデバイス２８は基本的に、光学構成要素２５、２６ａ、２６ｂを備えるキャリア２４とそれぞれの光学系２７との間に画定されたスペース内へ、好ましくは保護光学系２７に対して平行に延長（および再び後退）させられることができるディスク状スクリーンである。光学構成要素２５、２６ａ、２６ｂに面した側において、このスクリーンは、校正コーティング２９、例えばスペクトラロンがコーティングされている。スペクトラロンは、電磁スペクトルの紫外線（ＵＶ）および可視（ＶＩＳ）範囲、ならびに近赤外線（ＮＩＲ）範囲において、非常に高い均一な反射率を有する焼結ＰＴＦＥから形成された材料である。スペクトラロンは、ランバート反射挙動を示し、すなわち非常に拡散的に反射するまたはマットである。校正コーティング２９は校正基準として機能し、この校正基準を利用して、この目的のためにスクリーンが吸光度計２６ａ、２６ｂと保護光学系２７との間のスペース内へ延長させられているときに、吸光度計２６ａ、２６ｂを現場で校正することができる。しかしながら、土壌分析のための測定プロセス中、光学構成要素２５、２６ａ、２６ｂと土壌１１との間のビームパスを妨害しないようにスクリーンは後退させられる。
【００７６】
加えて、吸光度計アセンブリ５は以下のように構成されており、すなわち、測定動作中に、分析される土壌１１の土壌表面が測定表面と少なくとも実質的に一致するとき、キャリア２４が、測定表面に対して実質的に垂直な回転軸Ａを中心に回転させられる一方で、ソース２５および２つの吸光度計２６ａ、２６ｂが作動させられ、土壌表面において反射されたソース２５の放射に基づいて、上述のスペクトル範囲内の吸収スペクトルを吸光度計２６ａ、２６ｂに記録する。
【００７７】
図６は、本発明の一実施形態による、土壌分析のための（全体的な）システム３０の概略図を示す。システム３０は、分析される土壌の特性を特徴付ける測定データをその場で、すなわち現場で取得するために機能する、図１または２による１つ、または一般に複数のセンサデバイス、特にセンサデバイス１（そのうちの１つのみが本明細書に示される）を備える。次いで、これらの測定データは、それぞれのセンサデバイス１から、通信デバイス８によって、特にブロックチェーン転送として構成することができる通信リンクを介して、特にコンピュータネットワークまたはクラウド環境内の１つ以上のネットワークノード（例えばサーバ）の形態で実施することができるデバイス外部カウンターパート３３へ送信することができる。
【００７８】
示された例では、送信は複数の段階で行われ、すなわち、測定データおよび該当する場合、測定のためのあらゆる関連するメタデータが、まず、特にＬｏＲａまたはＮＢ−ＩｏＴ無線技術によって実施することができる無線通信リンクを介して、例えばシステム３０を使用する農家の農場上に配置することができるゲートウェイ３２へ送信される。このゲートウェイ３２から、測定データおよびメタデータを、評価のために、例えば、無線または有線インターネット接続を介した従来の方法でカウンターパート３３へさらに送信することができる。センサデバイス１とカウンターパート３３との間の通信全体がブロックチェーン技術によって実行されるように、好ましくはブロックチェーン転送が再び使用されることが想定される。この通信経路は双方向であり、これにより、この通信経路は、特に、カウンターパートへ送信された測定データおよびメタデータに基づき、カウンターパート３３によって取得された分析データのそれぞれのセンサデバイス１への送信のために、反対方向で使用することもできる。特定の実施形態に応じて、それぞれのセンサデバイス１によって取得されるメタデータは、特に、実施される土壌測定の時点および場所、ならびに固有のデバイス識別および／またはユーザ識別に関する情報を含むことができる。
【００７９】
加えて、または代替手段として、カウンターパート３３と１つ以上のユーザ端末デバイス３４との間にさらなる通信リンク３５を設けることができ、このさらなる通信リンク３５は、特に、例えばウェブポータルを介するリモートアクセスとして構成することができ、有利にはやはりブロックチェーン技術によって実行することができる。システム内のすべての通信リンクは、好ましくは、データセキュリティを維持し、改ざんに対して保護するために、例えば、既知の非対称または対称暗号化方法によって暗号化される。通信リンク３５は、取得された分析データにアクセスするさらなる方法を提供する。例えば、農家または園芸家は、センサデバイス１を持ち歩く必要なしに、対応する端末デバイス３４を介して、測定が行われた後比較的長い期間が過ぎていても、例えば自分の農場から、またはさらには移動中でも、このように分析データにアクセスすることができる。
【００８０】
図７は、図１または図２によるセンサデバイスのセンサによって検出することができる個々の測定量の間の様々な相関関係の概略を例として示しており、これにより、本発明による方法に従ってデータ融合（またはここでは同義的にセンサ融合）の範囲内で様々な土壌特性を決定することができる。相関は、対応するラベル付き矢印によってマークされており、ラベルは、特に、センサアセンブリ３〜５によって直接的に生成された様々な測定量の間の相関関係を形成するためにデータ融合の範囲内で使用することができる物理量または化学量を示しており、これは、追加的な引き出された土壌特性が決定されることを可能にしかつ／または達成可能な結果の精度が高められることを可能にする。特に、特に総窒素含有量、総腐植含有量、有機物に対する窒素の比、利用可能なリン酸塩の量、利用可能なカリウムの量、利用可能なマグネシウムの量、導電性、土壌の水分、および土壌のｐＨ値を含む農業および園芸のための複数の重要なパラメータをこのようにして決定することができる。
【００８１】
少なくとも１つの例示的な実施形態が上述されているが、これには多数の変化態様があることに留意されたい。また、説明された例示的な実施形態は、非限定的な例のみを表し、それによって本明細書に記載されるデバイスおよび方法の範囲、適用可能性または構成を限定することは意図されていないことに留意されたい。むしろ、前述の説明は、少なくとも１つの例示的な実施形態の実施のための説明を当業者に提供しており、それぞれ添付の特許請求の範囲に定義された対象およびその法的等価物から逸脱することなく、例示的な実施形態に記載された要素の機能性および配置に関して様々な変更を行うことができることが理解される。
【符号の説明】
【００８２】
参照符号のリスト
１  センサデバイス
２  ハウジング
３  インピーダンス／温度センサアセンブリ
４  電位測定アセンブリ、特にｐＨセンサアセンブリ
５  吸光度計アセンブリ
６ａ  センサモジュール
６ｂ  オペレーティング／無線モジュール
７  位置判定デバイス
８  通信デバイス
９  マンマシンインタフェース、特に操作ディスプレイ
１０  運搬ハンドルまたは操作ハンドル
１１  土壌
１２  スパイクの形状の（第１の）支持部材
１３  第１の支持部材のパッシベーション、特にポリマーパッシベーション
１４  伝導性トラック
１４ａ  第１の伝導性トラック
１４ｂ  第２の伝導性トラック
１５  制御デバイスおよび温度センサを備えた集積ＰＣＢ
１５ａ  制御デバイス
１５ｂ  信号プリアンプ
１５ｃ  温度センサ
１６  第１の支持部材の金属ハウジング、特に金属キャップ
１７  スパイクの形状の（第２の）支持部材
１８  第２の支持部材のパッシベーション、特にポリマーパッシベーション
１９  電解質／金属基準電極
１９ａ  電解質基準電極（電解質）
１９ｂ  電解質容器
１９ｃ  金属基準電極
２０  イオンダイアフラム
２１  金属酸化物電極
２１ａ  金属酸化物電極の接点
２２  校正電極
２２ａ  校正電極の接点
２３  第２の支持部材の金属ハウジング、特に金属キャップ
２４  回転軸Ａを有する回転可能なキャリア
２５  電磁放射源
２６ａ、ｂ  測定面Ｍを有するＭＥＭＳ吸光度計
２７  （保護）光学系、特に親水性ナノコーティングを有するサファイアガラス
２８  シャッターデバイス
２９  校正基準、特に校正コーティング
３０  現場土壌分析のためのシステム
３１  通信リンク、特にブロックチェーン転送
３２  ゲートウェイ
３３  カウンターパート、特にブロックチェーン／クラウド環境またはローカル評価デバイス
３４  ユーザ端子デバイス
３５  リモートアクセス
【図１】
2021521461.tif 000005
【図２】
2021521461.tif 000006
【図３Ａ】
2021521461.tif 000007
【図３Ｂ】
2021521461.tif 000008
【図４】
2021521461.tif 000009
【図５】
2021521461.tif 000010
【図６】
2021521461.tif 000011
【図７】
2021521461.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】令和2年8月6日(2020.8.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
現場土壌分析のためのセンサデバイス（１）であって、
分析される土壌（１１）の以下の土壌特性、すなわち
（ａ）インピーダンススペクトル、
（ｂ）温度、
（ｃ）ＮＩＲからＵＶまで広がるスペクトル範囲の吸収スペクトルＮＩＲ−ＶＩＳ−ＵＶの同時現場測定のために、および対応するそれぞれの測定データを提供するために、個別にまたは総体的に構成された１つ以上のセンサを備えるセンサアセンブリを備え、
前記センサアセンブリの各２つのセンサのそれぞれの測定量トランスデューサに関連して規定される、前記各２つのセンサの間の距離は、１０ｃｍの値を超過せず、
前記インピーダンススペクトル（Ｚ（ω））を現場で測定するために、前記センサアセンブリは、測定される土壌の一部の交流電流抵抗を、前記土壌の一部に印加される交流測定電圧の周波数（ω）に関して測定するように構成されている、センサデバイス（１）。
【請求項２】
前記センサアセンブリは、他の測定と同時に、前記分析される土壌（１１）の酸性または塩基性の性質の現場測定を行い、対応する測定データを提供するように個々にまたは総体的に構成された１つ以上のセンサをさらに含む、請求項１に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項３】
前記センサアセンブリは、前記分析される土壌（１１）のインピーダンススペクトルの現場検出のためのインピーダンスセンサを含み、前記インピーダンスセンサは、
第１の支持部材（１２）と、
前記第１の支持部材（１２）上に配置されているが、前記第１の支持部材（１２）からおよび互いから電気的に絶縁されている、２つの伝導性トラック（１４）であって、前記２つの伝導性トラック（１４）のうちの少なくとも一方が導電性の耐食性ポリマーまたは複合材料を含有する、２つの伝導性トラック（１４）と、
前記２つの伝導性トラック（１４）の間にＡＣ電圧を印加し、前記ＡＣ電圧の周波数を所定の周波数範囲にわたって変化させ、この過程で、前記センサデバイス（１）の動作中に、前記伝導性トラック（１４）が前記分析される土壌（１１）と電気的に接触するように前記センサデバイス（１）が前記分析される土壌（１１）に導入されたとき、前記伝導性トラック（１４）を介して前記分析される土壌（１１）に印加された前記ＡＣ電圧に応答して前記分析される土壌（１１）の前記インピーダンススペクトルを検出し、対応する測定データの形態で前記インピーダンススペクトを提供するように構成された制御デバイス（１５ａ）と、を備える、請求項１または２に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項４】
前記第１の支持部材は、少なくとも前記伝導性トラック（１４）によってカバーされた領域において導電性であり、前記制御デバイス（１５ａ）は、前記分析される土壌（１１）の前記インピーダンススペクトルの前記検出中に、この少なくとも１つの領域に地電位を印加するようにさらに構成されている、請求項３に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項５】
前記所定の周波数範囲は、１００Ｈｚ〜１ＭＨｚの範囲を含む、請求項３または４に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項６】
前記第１の支持部材は、前記分析される土壌（１１）への少なくとも部分的な導入のために、少なくとも部分的に中空のスパイクとして構成されており、
前記スパイクの表面に絶縁層が提供されており、次いで、前記絶縁層の上には、前記２つの伝導性トラック（１４）が配置されており、
前記制御デバイス（１５ａ）は、前記第１の支持部材（１２）の中空部分の内部に位置する、請求項３〜５のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項７】
前記センサアセンブリは、前記分析される土壌（１１）の温度を検出するための温度センサ（１５ｃ）を備え、この前記温度センサ（１５ｃ）は、前記インピーダンスセンサとともに、統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリ（３）として構成されており、前記統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリ（３）は、前記分析される土壌（１１）のインピーダンススペクトルおよび温度を同時にかつ現場で検出し、これをそれぞれ対応する測定データの形態で利用可能にするように構成されている、請求項３〜６のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項８】
前記センサアセンブリは、前記分析される土壌（１１）の吸収スペクトルを現場検出するための吸光度計アセンブリ（５）を備え、前記吸光度計アセンブリは、
少なくとも２つのＭＥＭＳ吸光度計（２６ａ、２６ｂ）を備え、前記ＭＥＭＳ吸光度計（２６ａ、２６ｂ）のスペクトル範囲は、少なくとも電磁スペクトルのいくつかの部分において異なり、これにより、前記分析される土壌（１１）の吸収スペクトルは、前記ＭＥＭＳ吸光度計（２６ａ、２６ｂ）の全体によって総体的に検出することができ、前記吸収スペクトルは、ＮＩＲ範囲における部分だけでなく、ＶＩＳ範囲における部分およびＵＶ範囲における部分も有する、請求項１〜７のいずれか一項記載のセンサデバイス（１）。
【請求項９】
前記吸光度計アセンブリ（５）は、可動キャリア（４）をさらに備え、前記吸光度計は、前記分析される土壌（１１）が前記センサデバイス（１）の測定動作中に静止する仮想測定面に対して前記キャリア（２４）が移動させられると、前記吸光度計が、前記吸光度計によってスキャンされる前記土壌（１１）の領域にわたって積分される吸収スペクトルを検出するために、スキャンされる前記領域を分光的に測定することができるように前記可動キャリア（４）上に配置されている、請求項８に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１０】
前記吸光度計アセンブリ（５）は、前記吸光度計と前記測定面との間に画定されたスペース内へスクリーンを一時的に移動させるように構成された可動なシャッターデバイス（２８）をさらに備え、前記吸光度計のうちの少なくとも１つの校正のために、前記吸光度計に面した前記スクリーンの側に校正基準（２９）が配置されている、請求項８または９に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１１】
前記吸光度計アセンブリ（５）は、検出される前記吸収スペクトルに対応する波長範囲において少なくとも実質的に光学的に透明である光学系（２７）をさらに備え、前記光学系（２７）は、前記吸光度計と前記測定面とを互いに空間的に分離させるために、前記吸光度計と前記測定面との間の前記スペースに配置されており、
前記測定面に面した前記光学系（２７）の側において、前記光学系（２７）には、引っかき保護を高める親水性ナノコーティングが設けられている、請求項８〜１０のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１２】
前記センサアセンブリは、前記分析される土壌（１１）の酸性または塩基性の性質の現場検出のための電位測定アセンブリ（４）を含み、前記電位測定アセンブリ（４）は、
第２の支持部材（１７）と、
前記第２の支持部材の中または上に配置された電解質／金属基準電極（１９）と、
前記第２の支持部材（１７）の表面上に配置された金属酸化物電極（２１）であって、前記第２の支持部材（１７）の表面は、測定動作中に前記分析される土壌（１１）と接触することが意図されている、金属酸化物電極（２１）と、
前記金属酸化物電極（２１）と前記電解質／金属基準電極（１９）との間において前記第２の支持部材上に配置され、かつ前記電解質／金属基準電極（１９）と接触しているイオンダイアフラム（２０）と、
前記分析される土壌（１１）と接触するために提供された前記第２の支持部材（１７）の前記表面上に配置され、かつ前記金属酸化物電極（２１）から電気的に絶縁されている、耐食性校正電極（２２）と、
測定デバイスと、を備え、前記測定デバイスは、
前記金属酸化物電極（２１）の現状を決定するために、前記校正電極（２２）と前記金属酸化物電極（２１）との間に生じる電気抵抗を測定しかつ／またはこれらの２つの電極が各々前記分析される土壌（１１）と接触しているときにこれらの間に生じる電気容量を測定することと、
前記分析される土壌（１１）の酸性または塩基性の性質を決定するために、前記基準電極と前記金属酸化物電極（２１）が各々前記分析される土壌（１１）と接触しているときに、前記金属酸化物電極（２１）の前記決定された現状に基づいて予め決定された測定校正を考慮に入れて、これらの２つの電極の間に生じる電位差を測定することと、を行うように構成されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１３】
前記校正電極（２２）は、導電性でかつ耐食性のポリマーまたは複合材料を含有する材料から形成されている、請求項１２に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１４】
前記第２の支持部材は、前記分析される土壌（１１）への少なくとも部分的な導入のためのスパイクとして構成されており、前記スパイクの表面に絶縁層が設けられており、前記絶縁層上に、前記金属酸化物電極（２１）、前記イオンダイアフラム（２０）および／または前記校正電極（２２）が配置されている、請求項１２または１３に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１５】
評価のために、前記センサデバイス（１）に関して外部にあるカウンターパートへ検出された測定データを送信するための通信デバイス（８）をさらに備える、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１６】
前記通信デバイス（８）は、ＬｏＲａ無線技術および／またはＮＢ−ＩｏＴ（ＮａｒｒｏｗＢａｎｄ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）無線技術に基づいた通信によって前記測定データを無線で送信するように構成されている、請求項１５に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１７】
不正アクセスから保護された、前記センサデバイス（１）の固有デバイス識別、および／または前記通信デバイス（８）によって送信される測定データおよび／またはメタデータを暗号化するための少なくとも１つの暗号キーを記憶するための安全な記憶デバイスをさらに備える、請求項１５または１６に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１８】
前記通信デバイス（８）は、外部カウンターパートとして機能するブロックチェーンに、送信される測定データおよび／またはメタデータを書き込むように、または別の外部カウンターパートに、前記別のカウンターパートに送信された測定データおよび／またはメタデータをブロックチェーンに書き込ませるようにさらに構成されている、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項１９】
前記センサデバイス（１）は、前記センサデバイス（１）のユーザの認証を行い、かつ前記認証が成功した場合にのみ前記外部カウンターパートへの測定データおよび／またはメタデータの送信を許可するように構成されている、請求項１８に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項２０】
前記センサデバイス（１）の現在位置を決定し、この位置を特徴付ける対応するメタデータを提供するための位置決定デバイス（７）をさらに備える、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）。
【請求項２１】
土壌分析のための、コンピュータによって実行される方法であって、
分析される土壌（１１）の以下の土壌特性、すなわち
（ａ）土壌の一部に印加される交流測定電圧の周波数（ω）に関する、測定される前記土壌の部分の交流電流抵抗を示す、インピーダンススペクトル（Ｚ（ω））、
（ｂ）温度、
（ｃ）ＮＩＲからＵＶまで広がるスペクトル範囲における吸収スペクトルＮＩＲ−ＶＩＳ−ＵＶ、に関する測定データを受信し、
決定される少なくとも１つの土壌特性のためのそれぞれの測定結果を得るために、データ融合による受信された測定データの組合せに基づき、前記土壌特性のうちの少なくとも１つまたは前記土壌特性から抽出された少なくとも１つの土壌特性を決定することを含む、方法。
【請求項２２】
前記分析される土壌（１１）の以下の土壌特性、すなわち酸性または塩基性の性質に関する測定データを受信することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記測定データは、請求項１〜２０のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）によって検出される、請求項２１または２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記方法は、ネットワークの少なくとも１つの中央ノード（３３）において行われ、前記少なくとも１つの中央ノード（３３）は、それぞれの測定データを受信するために、前記それぞれの測定データを検出するための複数のセンサデバイス（１）と通信接続（３１）するように構成されている、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
プロセッサプラットフォームにおいて実行されたとき、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の方法を行うように構成された、コンピュータプログラム。
【請求項２６】
請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の方法を行うために配置される、土壌分析のためのデバイス（３３）。
【請求項２７】
前記測定データを検出するための請求項１〜２０のいずれか一項に記載のセンサデバイス（１）を備える、請求項２６に記載のデバイス（１、３３）。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌分析の分野、特に農業または園芸目的のために使用される土壌の技術分析に関するが、これに限定されない。特に、本発明は、現場土壌分析のためのセンサデバイス、現場土壌分析のための方法および土壌分析方法を行うように配置されたデバイスに関し、このデバイスは、これらのセンサデバイスのうちの１つ以上とともにかつこれらと協働して、現場土壌分析のためのシステムを構築している。
【背景技術】
【０００２】
土壌分析の分野では、現在、分析される土壌から１つ以上の試料を採取し、それらを処理および分析する適切な実験室に輸送することに基づいて、実験室ベースの分析方法が主に使用されている。その後、対応する分析レポートが作成され、受取人またはクライアントに送信される。原則として、サンプルの採取と分析結果の通知との間の時間は、特に春（中央ヨーロッパの場合）などの需要の高い時期に少なくとも数日かかるが、たいていは数週間かかる。土壌分析のための典型的な標準的な実験室では、含水量、微量栄養素および主要栄養素の含有量、導電性、土壌の種類、ｐＨ値、ならびに窒素、リンおよび炭素の利用可能な総量または濃度を、標準化された実験室ベースの分析方法によって決定することができる。農家のための典型的な土壌試料は、例えば、土壌の種類、窒素、リン、カリウム、マグネシウム、ホウ素、銅、亜鉛、マンガンおよび鉄分含有量のパラメータ、ならびに土壌のｐＨ値、および場合によっては石灰に関するその要件に関する記述を含む。このような実験室分析で使用される方法は、非常に正確であるが、「現場で」、すなわち、試料の事前の採取なしにその場で、分析される土壌において、例えば農業または園芸の使用のためのエリアにおいて用いることはできない。なぜならば、この目的のために必要とされる技術的機器が可動式でないから、または分析が、実験室でしか達成できない標準化された環境条件を必要とするからである。
【０００３】
実験室での土壌分析の代替として、土壌の現場分析または半現場分析のためのいくつかの方法は、現在すでに利用可能である。しかしながら、利用可能な分析範囲は、土壌試料からの土壌の含水量、ｐＨ値、導電性および土壌タイプの分析に限定される。しかしながら、特に、カリウム、マグネシウム、銅、マンガン、亜鉛、臭素、鉄、利用可能なリン、腐植の含有量、ならびに総窒素含有量および総炭素含有量に関心がある農家および園芸家に非常に関連するパラメータ等の他のパラメータは、現時点では現場で分析することができない。また、これまで知られている現場分析手法のいずれも、法定肥料規制などの法的規制の検証の基礎として多くの国で必要とされる場合があるように、法的な観点から信頼性の高い方法で測定結果または分析結果を文書化することができない。
【０００４】
ＵＳ５，６２１，６６９Ａから、バルク材料の湿度および他の特性のためのセンサプローブが公知である。これは、センサ群から信号を取得するため、信号をデジタル情報に変換するため、情報の一部を相関させるため、および１つ以上の外部アクチュエータならびにリモート受信機およびコントローラに情報を送信するための、選択、入力、励起および分離機能を含む。
【０００５】
ＵＳ２００３／０００９２８６Ａ１から、農業分野における土壌特性の分布に関する高精度データ情報を効率的に検出し、データ情報を一括管理するように配置された土壌特性の取得のためのデバイスおよび方法が公知である。
【０００６】
ＵＳ９，２８５，５０１Ｂ２から、土壌からの拡散反射、土壌伝導性、および他の土壌特性を３次元で迅速に現場で測定するためのマルチセンサシステムが公知である。
【０００７】
ＵＳ７，９４４，２２０Ｂ２から、媒体の含水率を測定するための含水率センサが公知である。センサは、媒体に電気信号を注入するプローブを含む。プローブと電気信号源との間に位置する複雑なインピーダンス回路は、センシングエレクトロニクスが、媒体の誘電率の変化に基づいて媒体内の含水率を示す信号を生成することを可能にする。
【０００８】
ＵＳ５，８５９，５３６Ａから、媒体内に配置された一対の検知電極と、媒体における容量変化に応じて変化する出力信号を生成するためにインピーダンスマッチングネットワークを介して検知電極に接続された回路とを含む、検知デバイスが公知である。回路は、感知電極を含む第１の回路部分と、発振器を含む第２の回路部分と、を含む。第１の回路部分および第２の回路部分は、容量変化のより正確な測定を可能にするために、それらのインピーダンスを一致させるように調整される。
【０００９】
ＣＮ１０６９５０１８３Ａから、スペクトル技術に基づいて土壌栄養素を検出するためのポータブルデバイスが公知である。
【００１０】
ＵＳ２０１８／００８５００３Ａ１から、物体を照射し、１つ以上のスペクトルを測定するために使用することができる手持ち分光計が公知である。物体のスペクトルデータを使用して、物体の１つ以上の属性を決定することができる。特に、分光計を、物体の属性を決定するために使用することができるスペクトル情報のデータベースに結合することができる。分光計システムは、分光計に結合される手持式通信デバイスを含んでもよく、この手持式通信デバイスにおいて、ユーザは、測定される物体に関連する入力を行うことができる。
【００１１】
ＵＳ２０１６／００３３４３７Ａ１から、土壌の静電容量を測定するために静電容量プレートに結合された低コストタッチセンサを有するリモートセンサプラットフォームが公知である。センサプラットフォームは、例えば、土壌抵抗、土壌ｐＨ値、周囲光、土壌または空気温度および空気湿度等の他の庭園パラメータを測定するための他のセンサを有してもよい。土壌の抵抗および容量の測定に基づいて、土壌の含水率を決定することができる。
【００１２】
ＥＰ１，２０３，９５５Ａ１から、土壌の特性を測定するために土壌測定器を使用する土壌測定方法が公知である。本方法は、少なくとも測定場所における土壌の種類および含水量に関する情報に基づく、土壌センサからの測定データの取得を含む。土壌特性を算出するために、収集された測定データは、この種類の土壌および含水量に関する情報に基づいて決定されたモデルに入力される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
この背景に鑑みて、現場土壌分析のための改善されたデバイスおよび方法を提供することが本発明の目的である。特に、従来公知の解決手段と比較して、追加の土壌特性を分析することおよび／または分析結果の改善された品質を達成することを可能にする、現場土壌分析のためのデバイスおよび方法を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的の解決は、独立請求項の開示に従って達成される。本発明の様々な実施形態およびさらなる発展形態は、従属請求項の対象である。
【００１５】
本発明の第１の態様は、現場土壌分析のためのセンサデバイスに関する。
【００１６】
センサデバイスは、分析される土壌の以下の土壌特性、すなわち（ａ）インピーダンススペクトル、（ｂ）温度および（ｃ）ＮＩＲ（近赤外線スペクトル範囲）からＵＶ（紫外線スペクトル範囲）に広がるスペクトル範囲ＮＩＲ−ＶＩＳ−ＵＶにおける吸収スペクトル、ならびに選択的に（ｄ）酸性または塩基性の性質、特にｐＨ値、のうちの少なくとも２つ、好ましくは少なくとも３つまたは全ての同時現場測定のために、および対応するそれぞれの測定データを提供するために個別にまたは総体的に構成された１つ以上のセンサを有するセンサアセンブリを備える。それぞれの測定量トランスデューサに関連して規定されるセンサアセンブリのそれぞれの２つのセンサ間の距離は、１０ｃｍ、好ましくは５ｃｍ、特に好ましくは３ｃｍの値を超えない。インピーダンススペクトルを現場で測定するために、センサアセンブリは、測定される土壌の一部の交流電流抵抗を、土壌の一部に印加される交流測定電圧の周波数に関して測定するように構成されている。
【００１７】
本発明の意味において、「現場土壌分析」という表現は、土壌、特に農業または園芸目的で使用される領域における土壌の分析を意味すると理解されることが意図されており、この場合、土壌から試料を採取する必要なく、所望の土壌特性の測定が土壌自体において現場で行われる。特に、現場土壌分析は、対応するセンサデバイスが分析される土壌の上または上方に配置されるか、または土壌の中に少なくとも部分的に導入されるように行うことができ、これにより、センサデバイスの感知構成要素は、土壌の関連する特性を測定することができ、この場合、土壌の場所は、少なくとも実質的に変化しないままである。単なる測定データの取得を超えたさらなる土壌分析のために、１つ以上の現場測定によって生成された測定データの評価も「現場で」、すなわち、測定の場所で行うことができるが、これは必須ではない。これとは対照的に、試料がまず分析される土壌から採取され、次いで、この試料に、同じまたは異なる位置において測定、および該当する場合にはさらなる分析が行われることに基づく土壌分析は、本発明の意味における現場土壌分析ではない。
【００１８】
いくつかの土壌特性の「同時」現場測定という表現は、測定される土壌特性の少なくとも２つの測定のための測定期間が少なくとも部分的に重なり合っている「現場」測定プロセスを意味すると理解されることが意図されている。したがって、特に、事実上正確に同時に行われる複数の土壌特性の測定も本発明の意味において同時測定であり、例えば、第１の土壌特性の測定のための第１の測定期間が、第２の土壌特性のための第２の測定期間と正確に一致しないが、両方の特性が同時に測定される少なくとも１つの時間帯があるような測定も同様である。この文脈において、土壌特性の測定期間とは、対応する検知構成要素が、土壌特性自体、またはこの土壌特性を間接的に決定するために使用される量のそれぞれの測定を行うために作動する期間であると定義される。
【００１９】
本発明の意味において、「インピーダンススペクトル」という表現は、例えば電極によって土壌の一部に印加される交流測定電圧の周波数（ω）に関して、材料、この場合は測定される土壌の一部、の交互電流抵抗（インピーダンスＺ）を表すスペクトルを意味すると理解されることが意図されており、これは、特に数学関数Ｚ（ω）によって行うことができる。この文脈において、双極ネットワーク素子（ここでは土壌の一部）の交流電流抵抗は、電圧対電流の比として定義される。
【００２０】
本発明の意味において、吸収スペクトルは、広帯域電磁放射線が物質を照射または通過し、特定の波長または波長範囲の放射量子（光子）が物質によって吸収されるときに生じる、「暗い」スペクトル線、すなわち、スペクトル範囲における切断部を含む電磁スペクトルを意味すると理解されることが意図されている。これに関連して、たいていは波長に依存して、１つ以上の異なる吸収メカニズムが生じることができる。特に、（例えば、発光との関連における）原子、分子、または結晶または他の固体の異なるエネルギーレベル間の電子遷移、ならびに他の自由度、特に分子および固体の回転または振動自由度の励起が、可能である。得られた吸収スペクトル、特に反射スペクトルと、対応する基準スペクトルとの比較によって、測定された物質の材料組成に関する定性的および／または定量的な結論を引き出すことができる。
【００２１】
本発明の意味において、「測定量トランスデューサ」または略して「トランスデューサ」という表現は、測定量に直接的に応答する測定デバイスの一部、すなわち、センサを意味すると理解されることが意図されている。したがって、トランスデューサは測定チェーンの第１の要素である。特に、トランスデューサは、１つ以上の電極、光学受信器または温度センサの形態で実施されてもよいが、これに限定されない。２つのトランスデューサ間の距離とは、それらの間の最短距離であると理解されたい。
【００２２】
本発明の第１の態様によるセンサデバイスは、一方で、少なくとも２つの異なる土壌特性をセンサベース形式でかつ少なくとも実質的に非破壊的な形式で検出することができ、土壌特性は、加えて、それらの間に明確な相関関係が存在するように選択され、これにより、データ融合によって、個々の測定と比較したとき、測定によって得られた測定データからの測定精度の向上、したがって、土壌分析の質の向上を達成することを可能にするという事実を特徴とする。さらに、センサの測定量トランスデューサは、非常に小さい面積（例えば、１００ｃｍ２以下、好ましくは２５ｃｍ２以下、特に好ましくはは９ｃｍ２以下の面積）に集中させられ、これにより、測定される土壌の部分は、良好な近似で均質であると仮定することができ、これは、特に個々の測定結果の間の相関関係が距離に強く依存し、原則として、距離が小さい場合にのみデータ融合によって土壌分析の質の著しい改善を達成することを可能にするという事実に関して、測定精度をさらに向上させるために使用される。
【００２３】
さらに、測定は同時に行われるため、時間に依存する測定誤差を最小限に抑えることができる。さもないと、このような測定誤差が、例えば、インピーダンス測定が土壌の局所的な温まりをもたらし、それが次いで、異なる時間に行われた後続の温度測定の場合、歪んだ温度読取りにつながる場合に発生する可能性がある。さらに、上記の様々な測定方法を組み合わせることで、個々の測定の測定データを組み合わせることによって土壌特性を達成することができ、これは、現場測定の以前の可能性に勝る。また、同時測定は、完全に逐次的な個々の測定と比較した場合、測定プロセスに必要な合計時間を短縮する。
【００２４】
土壌試料を採取する必要がないまたは土壌試料を現場以外の実験室に持って行く必要がないため、土壌分析の結果は、測定の過程中に、可能な限り短い時間で、特に現場でも利用可能であり、これにより、分析結果が利用可能になるまでの著しい時間後れが不要である。
【００２５】
以下では、センサデバイスの好ましい実施形態が説明され、各センサデバイスは、明示的に除外されないまたは技術的に不可能でない限り、互いにおよび本明細書に記載される本発明の他の態様とあらゆる所望の様式で組み合わせることができる。
【００２６】
いくつかの実施形態では、センサアセンブリは、分析される土壌のインピーダンススペクトルの現場検出のためのインピーダンスセンサを備える。センサアセンブリは、（ｉ）第１の支持部材と、（ｉｉ）第１の支持部材上に配置されているが、第１の支持部材からおよび互いから電気的に絶縁されており、そのうちの少なくとも一方が、導電性の耐食性ポリマーまたは複合材料を含有する、２つの伝導性トラックと、（ｉｉｉ）制御デバイスと、を含む。制御デバイスは、２つの伝導性トラック間にＡＣ電圧を印加し、その周波数を所定の周波数範囲にわたって変化させ、その過程で、センサデバイスの動作中に、伝導性トラックが分析される土壌と電気的に接触するようにセンサデバイスが分析される土壌に導入されたとき、伝導性トラックを介してセンサデバイスに印加されるＡＣ電圧に応答して分析される土壌のインピーダンススペクトルを検出し、対応する測定データの形式でインピーダンススペクトルを提供するように構成されている。このようにして、センサデバイスは、分析される土壌のインピーダンススペクトルを記録することができ、これを利用して、特に、様々な土壌の種類、土壌のテクスチャ、伝導率、含水量、イオン濃度およびイオンの種類を決定することができる。
【００２７】
支持部材上の伝導性トラックの特定の構造および伝導性トラックのための材料の特定の選択は、周囲の土壌への特に良好な電気的接触が達成されること、および土壌に関する高い耐性、特に摩耗および腐食に対する耐性、ひいてはセンサデバイスの長い耐用年数を可能にする。
【００２８】
伝導性トラックは、好ましくは２つの伝導性トラックが互いに平行に延びるように、第１の支持部材に巻き付けられており、これは、特に正確な解決手段であり、スペースの利用に関して最適である。ここで、「導電性」という用語は、物質が電流を伝導することができる程度を示す物理量を意味すると理解されることが意図されている。したがって、本発明の意味において、「導電性」という表現は、（２５℃において）少なくとも１０６Ｓ／ｍ、すなわち、金属の導電性に少なくとも等しい導電性を意味すると理解されることが意図されている。
【００２９】
いくつかのさらなる実施形態では、第１の支持部材は、少なくとも伝導性トラックによって覆われた領域において導電性、特に金属的に伝導性であり、制御デバイスはさらに、分析される土壌のインピーダンススペクトルの検出中に、この少なくとも１つの領域に地電位を印加するように構成されている。このようにして、外部電磁結合による記録されたインピーダンススペクトルの信号歪みを低減または回避することさえできる。この文脈において、地電位は、センサデバイスの電源、特に、この目的のために使用される電池の接地電位（ゼロ電位）であることができる。
【００３０】
いくつかのさらなる実施形態では、所定の周波数範囲は、１００Ｈｚ〜１ＭＨｚの範囲を含み、これにより、その幅および電磁スペクトル内の位置により、多数の異なる土壌特性について特に良好な結論を引き出すことができるスペクトルを決定することが可能になる。
【００３１】
いくつかのさらなる実施形態では、第１の支持部材は、分析される土壌への少なくとも部分的な導入のために、少なくとも部分的に中空であるスパイクとして構成されている。加えて、絶縁層がスパイクの表面に設けられており、絶縁層の上にさらに、２つの伝導性トラックが配置され、特に巻き付けられている。制御デバイスは、第１の支持部材の中空部分の内部に配置されている。スパイクの形態の第１の支持部材の構成は、第１の支持部材が分析される土壌に少なくとも部分的に導入される（差し込まれる）ことを可能にし、それによって、インピーダンスセンサの測定量トランスデューサとして機能する伝導性トラックを土壌と接触させるように機能する。絶縁体によって、伝導性トラックは、互いにおよびスパイクから電気的に分離されており、スパイクは特に、上述したように、地電位に接続することができる。加えて、第１の支持部材の中空部分の内部において、制御デバイスは、望ましくない影響、特に、土壌または環境の他の部分、特に埃、水分、および腐食を引き起こす物質からから保護されている。
【００３２】
いくつかのさらなる実施形態では、センサアセンブリは、分析される土壌の温度を検出するための温度センサを備え、温度センサは、インピーダンスセンサとともに、統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリとして構成されており、統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリは、インピーダンススペクトル、ならびに分析される土壌の温度を同時におよび現場で検出し、対応する測定データの形式でこれをそれぞれ利用可能にするように構成されている。このようにして、上記で説明したように、決定することができる土壌特性のスペクトルを拡大しかつ分析の質を高めることを可能にする、少なくとも２つの異なる測定量が決定されるだけでなく、センサアセンブリが特にスペース節約形式で構成されることを可能にする特に高い集積密度をも可能にする。
【００３３】
特に、温度センサまたはその一部は、制御デバイスと同様に、制御デバイスのように、望ましくない外部の影響からそこで保護されるために、第１の支持部材の中空部分の内部に配置することができる。
【００３４】
第１の支持部材および／または伝導性トラックのうちの少なくとも一方は、特に、温度測定プローブ（すなわち、測定量トランスデューサ）としても機能することができ、この目的のために、熱伝導形式で温度センサに接続することができる。好ましくは、第１の支持部材、または場合によっては、少なくとも一方の伝導性トラックは、したがって、良好な熱伝導性を有する材料、特に金属、例えば、アルミニウム、または良好な熱伝導性を有するポリマーもしくは複合材料を使用して構成されている。
【００３５】
いくつかの実施形態では、温度センサは、例えば、共通のＰＣＢまたは共通の集積回路上の制御デバイスに統合されており、これは、特に、その密度の観点から可能な限り最適化されるセンサデバイスの様々なセンサの測定量トランスデューサの配置を達成することも目的として、センサデバイスの高い、したがって省スペースの統合の観点からやはり有利である。
【００３６】
いくつかの実施形態では、温度センサは、第１の支持部材の導電性部分の内部に配置されており、これにより、温度センサは、ＡＣ電圧が伝導性トラックに印加されたときに伝導性トラックによって発生されるあらゆる電磁相互作用から少なくとも部分的にシールドされており、その結果、測定精度を高めることができ、望ましくない干渉効果を弱めることができる。
【００３７】
いくつかの実施形態では、センサアセンブリは、分析される土壌の吸収スペクトルの現場検出のための吸光度計アセンブリを含む。これは、特にＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ干渉計に基づいて構成された、少なくとも２つのＭＥＭＳ吸光度計（すなわち、ＭＥＭＳ技術によって少なくとも部分的に製造され、特にＭＥＭＳ構成要素を含む、吸光度計）を含み、そのスペクトルカバレッジは、少なくとも電磁スペクトルの一部に関して異なり、分析される土壌の吸収スペクトルを、ＭＥＭＳ吸光度計の全体によって総体的に検出することができ、この吸収スペクトルは、ＮＩＲ範囲の部分、ＶＩＳ範囲の部分、またＵＶ範囲の部分を有する。特に、スペクトルカバレッジは、中断することなくＮＩＲ範囲からＵＶ範囲まで広がることができ、一般に土壌分析に特定の関連があるスペクトル範囲における特に非常に分化した測定を可能にするために、特に３５０ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲を含むことができる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、吸光度計アセンブリは、可動キャリア、特に回転可能および／または並進移動可能なキャリアをさらに備え、可動キャリアには以下のように吸光度計が配置されており、すなわち、センサデバイスの測定動作中に分析される土壌が接触する仮想測定面に対してキャリアが移動させられると、吸光度計は、スキャンされる領域上に統合された吸収スペクトルを検出するために、吸光度計によって走査される土壌の面積を分光測定することができる。このようにして、統計学的観点からより使用しやすく、かつより正確な結果を達成することができ、土壌の可能な限り最大の面積を、理想的には可能な限り最小の距離で走査することができる。回転可能なキャリアの場合、測定された吸収スペクトルは、特にキャリアの回転角度にわたって、並進運動の場合、特にこの並進運動の距離にわたって積分または平均化することができる。このようにして、土壌の非特異的特性、例えば、小さな石または枝などは、平均的に、得られる測定結果に対する減じられた影響、特に小さな影響のみを与え、加えて、特に、標的フィルタリングによって、例えば閾値によって、少なくともほとんど排除することができる。
【００３９】
いくつかの実施形態では、可動キャリア上に少なくとも１つの電磁放射線源も配置され、この電磁放射源は、測定動作中に、測定される吸収スペクトルを生成するために、測定面に対するキャリアの移動中に吸光度計によって走査される土壌の面積を電磁放射によって照射するように構成されている。このようにして、一方では、移動による土壌のより拡大した領域を走査することが可能であり、他方では、吸光度計に対する放射源の相対的位置決めを不変のままにしておくことが可能であり、これは特に、測定精度を高めることができかつ調整の必要性を低減または回避することを助けることができる。
【００４０】
いくつかの実施形態では、吸光度計アセンブリは、可動シャッターデバイスをさらに含む。この可動シャッターデバイスは、吸光度計と測定面との間に画定された空間にスクリーンを一時的に移動させるように構成されており、吸光度計の少なくとも１つ、好ましくはすべての校正のために、吸光度計に面したスクリーンの側に、例えば特にスペクトラロンなどの校正基準が配置されている。これにより、センサデバイスは、所定の回数の測定手順の後、特に現場土壌分析自体に関連しても、（例えば、暗電流および基準校正によって）自動的に自ら校正することができる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、吸光度計アセンブリはまた、検出される吸収スペクトルに対応する波長範囲において少なくとも実質的に透明である光学系を有し、この光学系は、吸光度計と測定面とを互いに空間的に分離させるために、吸光度計と測定面との間の空間に配置されている。測定面に面した側において、光学系には親水性ナノコーティングが設けられており、親水性ナノコーティングは特に、光学系の本体を構成する材料と比較して、より高い引っかき抵抗性を有してもよい。可能な限り高い引っかき抵抗性を達成するために、光学系は特に、サファイアガラスから形成することもできる。空間分離は、特に、例えば分析される土壌からの望ましくない外部影響（特に埃、水分、機械的影響）から吸光度計および該当する場合、シャッターデバイスを保護するように機能する。
【００４２】
いくつかの実施形態において、センサアセンブリは、分析される土壌の酸性または塩基性の性質、特にｐＨ値の現場検出のための電位測定アセンブリを含む。これは、以下のもの、すなわち（ｉ）第２の支持部材と、（ｉｉ）第２の支持部材の中または上に配置された電解質／金属基準電極と、（ｉｉｉ）測定動作中に分析される土壌に接触することが意図された第２の支持部材の面に配置された金属酸化物電極と、（ｉｖ）金属酸化物電極と電解質／金属基準電極との間において第２の支持部材上に配置され、かつ電解質／金属基準電極と接触したイオンダイアフラムと、（ｖ）分析される土壌と接触するために提供された第２の支持部材の面上に配置され、かつ金属酸化物電極から電気的に絶縁された耐食性校正電極と、（ｖｉ）測定デバイスと、を含む。測定デバイスは、（ａ）金属酸化物電極の電流状態を決定するために、校正電極と金属酸化物電極との間に生じる電気抵抗を測定するためにおよび／またはこれらの２つの電極がそれぞれ分析される土壌と接触しているときに、両電極の間に生じる電気容量を測定することと、（ｂ）分析される土壌の酸性または塩基性の性質、特にｐＨ値を決定するために、これらの２つの電極がそれぞれ分析される土壌と接触しているときに、金属酸化物電極の決定された電流状態に基づいて予め決定された測定校正を考慮して、基準電極と金属酸化物電極との間に生じる電位差を測定することと、を行うように構成されている。
【００４３】
電位測定アセンブリによる土壌の酸性または塩基性の性質の測定は、したがって、上記の補助特徴（ｂ）に従って、基準電極と金属酸化物電極との間に生じる電位差が測定されるように、動作中に行うことができる。この電位差は、測定プロセス中に２つの電極と接触する土壌の酸性または塩基性の性質に依存し、これにより、電位差を、土壌の酸性または塩基性の性質の測定のために使用することができる。測定された電位は、２つの電極間の酸化還元電位に対応するまたは少なくとも２つの電極間の酸化還元電位と一致して変化し、関連する酸化還元化学式は以下の通りである。
【化１】
2021521461.tif 000013
【００４４】
ここで、「Ｍｅ」の略語は金属を表す。したがって、電位差は、金属酸化物／金属ベースのセンサ、特にｐＨセンサの特定の電気化学的特性に依存し、金属酸化物／金属システムは、特に、Ｓｂ２Ｏ３／Ｓｂ、ＩｒＯ２／ＩＲ、ＴＩＯ２／ＴＩ、またはＲｕＯ２／Ｒｕであってもよい。これらの材料は、直接的な酸化または還元依存性を示すと同時に、土壌中の周囲の水素イオン濃度（ｐＨ値）に対して良好な導電性を有する。したがって、それらの酸化還元電位を、基準電極と相関させることができ、このことから、土壌の酸性または塩基性の性質またはｐＨ値を決定することができる。加えて、金属酸化物電極の材料は、好ましくは、前述の材料システムのように、（土壌に関する）良好な耐摩耗性および耐衝撃性を有するように選択される。
【００４５】
酸化還元電位差は、イオンダイアフラムを通って２つの電極間を流れるイオン電流を測定することによって決定され、好ましくは、測定可能性および測定精度の向上のために、測定される前に、おそらく非常に弱い電流を変換または増幅させるために、インピーダンス変換器または増幅器が追加的に提供される。また、イオン電流がイオンダイアフラムを通って流れるために可能な限り大きな断面積を提供するために、イオンダイアフラムの大きさは、好ましくは、（第２の）支持部材の大きさに対して可能な限り大きく選択される。
【００４６】
しかしながら、原則として、金属酸化物は、酸または塩基に対して限定された耐食性しか有さず、これにより、土壌分析のために使用されるとき、金属酸化物電極はしばしば次第に分解され、これは特に、金属酸化物電極の層厚の減少につながる可能性があり、その結果、電気抵抗、ひいては電流強度、さらには測定結果の変化をもたらす。したがって、測定デバイスは、さらに、補助的特徴（ａ）によれば、校正電極および金属酸化物電極が両方ともそれぞれ分析される土壌と接触し、分析される土壌が両電極を電気的に接続しているとき、校正電極と金属酸化物電極との間に生じる電気抵抗（または伝導性）および／または両電極の間に生じる電気容量を測定することによって、金属酸化物電極の現在の状態、特に現在の層厚を決定するように構成されている。測定は特に周期的に行うことができる。土壌の伝導率および／または容量は、事前に知られていない場合、特に上述のセンサデバイスのインピーダンスセンサによって決定することができ、したがって、金属酸化物層の伝導率、電気抵抗または容量は、上述の測定によって測定デバイスによって決定することができ、金属酸化物電極の伝導率または容量は、その金属酸化物層の厚さと直接的に相関している。したがって、測定精度を長期間にわたってかつ金属酸化物の分解にもかかわらず確保するために、必要であれば、特に予防的かつ周期的な形式で、金属酸化物電極の状態の測定に基づく測定デバイスによって測定値を再校正することができる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、校正電極は、導電性および耐食性ポリマーおよび／または複合材料を含有する材料から形成されている。これらの材料は、特に、低重量、高耐食性、および校正基準としての長い耐久性および安定性等の利点を提供することができる。
【００４８】
いくつかの実施形態では、第２の支持部材は、分析される土壌への少なくとも部分的な導入のためのスパイクとして構成されており、絶縁層がスパイクの表面に提供されており、この絶縁層上に金属酸化物電極、イオンダイアフラム、および／または校正電極が配置されている。これは、特にコンパクトな構成を達成することを可能にする。加えて、電解質／金属基準電極は、有利には、（第２の）支持部材、すなわち、スパイクの内部に配置することができ、したがって、望ましくない外部影響から保護することができる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、センサデバイスは、評価のために、取得された測定データを、センサデバイスに関して外部にあるカウンターパートへ送信するための通信デバイスをさらに備える。カウンターパートは、特に、例えば、クラウド環境における別個の評価デバイスまたはリモートコンピューティングプラットフォーム、またはバックエンドサーバもしくは分散型コンピュータネットワークであることができる。このようにして、土壌分析の最終結果を決定するための測定データのさらなる処理は、センサデバイスからアウトソーシングすることができ、これは、特に、センサデバイス自体によってローカルよりも中央または専門のコンピューティングシステムによってより速くまたはより良好に実行することができる複雑で時間のかかる計算が必要な場合に、有用である可能性がある。
【００５０】
しかしながら、他の実施形態では、センサデバイス自体における測定結果の評価のために必要な機器を提供することも同様に可能である。しかし、この場合でも、少なくともセンサデバイスの評価および／または制御のために使用されるソフトウェアのリモートアップデートを可能にするために、上述の通信デバイスをセンサデバイスに提供することは有用であることもある。
【００５１】
いくつかの実施形態では、通信デバイスは、ＬｏＲａ無線技術および／またはＮＢ−ＩｏＴ（ＮａｒｒｏｗＢａｎｄ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）無線技術に基づいた通信によって測定データを無線で送信するように構成されている。特に、これらの技術は、センサデバイスが、例えば、従来の移動無線を介する他の無線データカバレッジが欠落しているかまたは十分に提供されていない場所で使用されることが意図されている場合、特に有利である。上記の無線技術は、従来の移動無線技術の最大範囲（端末−基地局）の約２倍である最大３０ｋｍの距離にわたる無線データ伝送を可能にする。エネルギー消費量が一般に非常に低いため、これらの技術は、特にモバイルの、バッテリー駆動式デバイスにおいても有効に適用することができる。さらに、少なくともＬｏＲａ技術の使用は多くの国においてライセンスフリーベースで可能であり、これは、運用コストに対する対応する望ましい効果をもたらす。
【００５２】
通信デバイスはまた、特に、デバイスの外部で決定されたデータ、特に土壌分析の結果に関連するデータを受信するように構成されてもよく、これにより、対応する情報を、現場で、センサデバイス自体において、適切なマンマシンインタフェースにおいて、例えばディスプレイデバイスまたは光学式または音響出力デバイスにおいて、ユーザに利用可能にすることができる。
【００５３】
いくつかの実施形態では、センサデバイスは、不正アクセスに対して保護された、センサデバイスの固有デバイス識別、および／または通信デバイスによって送信される測定データおよび／またはメタデータを暗号化するための少なくとも１つの暗号化キーを記憶するための安全な記憶デバイスをさらに備える。メタデータは、特に、センサデバイスによって現場で行われる測定の場所、時点および／または測定モード、ならびにデバイス識別またはユーザ識別を表すことができるが、これに限定されない。特に、このようにして、通信デバイスを介した通信、特に「中間者」攻撃に対して保護された通信、ならびに不正な改変に対して保護されたデバイスアイデンティティを実現することができる。
【００５４】
いくつかの実施形態では、通信デバイスは、外部カウンターパートとして機能するブロックチェーンに、送信される測定データおよび／またはメタデータを書き込むように、または別の外部カウンターパートに、この別の外部カウンターパートに送信される測定データおよび／またはメタデータをブロックチェーンに書き込ませるようにさらに構成されている。これらの実施形態は、特に、法的観点から信頼できる形式での測定結果の文書化に関して有利である。加えて、これらの実施形態はまた、特に、得られた測定結果または土壌分析結果のその後の改ざんに対する保護に関して、通信の保護を達成することを可能にする。
【００５５】
いくつかの実施形態では、センサデバイスは、センサデバイスのユーザの認証を実行し、かつ認証が成功した場合にのみ、測定データおよび／またはメタデータの外部カウンターパートへの送信を許容するように構成されている。この手段はまた、特に測定データの改ざんに関して、攻撃に対して測定結果の通信および文書化を保護するために使用することもできる。上記の保護手段のうちの１つ以上の使用により、法律の観点から信頼性があり、かつ場合によっては法律で要求されることがある測定結果の文書化を達成するための要件をこれにより満たすことができる。
【００５６】
いくつかの実施形態では、センサデバイスは、センサデバイスの現在の位置を決定し、その位置を特徴付ける対応するメタデータを提供するための位置決定デバイスをさらに備える。特に、これは、測定データとともに、対応するメタデータによって測定の位置を提供することも可能にする。加えて、その空間位置に関するセンサデバイスのモニタリングをこのように実行することができ、これは、誤用、特に許可されていない人物による誤用に対する追加の保護も提供する。
【００５７】
いくつかの実施形態では、センサデバイスは、ポータブルユニットとして構成される。これは、特に、デバイスの寸法および重量が、人間の使用者がデバイスを過度の問題なく、例えば農地上の測定場所へ容易にデバイスを運ぶことを可能にすることを意味する。したがって、理想的には、各方向におけるセンサデバイスの寸法は、最大数デシメートル、例えば、＜５０ｃｍであり、重量は、好ましくは２５ｋｇ未満、理想的には１０ｋｇ未満である。このようにして、センサデバイスは、車両または他の操作デバイスを利用することなく、非常に柔軟な形式で使用することができる。
【００５８】
本発明の第２の態様は、土壌分析のための、コンピュータにより実行される方法であって、
（ｉ）分析される土壌の以下の土壌特性、すなわち、（ａ）インピーダンススペクトル、（ｂ）温度、（ｃ）ＮＩＲからＵＶまで広がるスペクトル範囲ＮＩＲ−ＶＩＳ−ＵＶにおける吸収スペクトル、および選択的に（ｄ）酸性または塩基性の性質、特にｐＨ値、の少なくとも２つ、好ましくは少なくとも３つ、または全てに関する測定データを受信すること、および（ｉｉ）決定される少なくとも１つの土壌特性のためのそれぞれの測定結果を得るために、データ融合による受信された測定データの組合せに基づき、土壌特性のうちの少なくとも１つまたはそこから引き出された少なくとも１つの土壌特性を決定することを含む、土壌分析のための、コンピュータにより実行される方法に関する。したがって、この方法を利用することによって、データ融合の枠組み内で前記土壌特性に関する測定結果をリンクさせることが可能であり、少なくともいくつかの組合せのために、土壌分析に関するより正確なまたは追加的な結果を得るためにデータ融合の枠組み内で使用することができるそれらの間の相関関係が存在するように前記土壌特性が選択されることが再び指摘されなければならない。具体的には、データ融合は、ファジー論理および／または１つ以上の人工ニューラルネットワークに基づいて実行することができる。
【００５９】
本発明のいくつかの実施形態では、測定データは、本発明の第１の態様による、特に、説明される本発明の実施形態のうちの１つ以上による、センサデバイスによって取得される。次いで、方法は、測定データの取得のための実際の現場測定に従い、この目的のために、センサデバイスは、特に、上述のように、測定データ、および該当する場合、追加のメタデータを、通信デバイスによって、対応する通信リンクを介して、方法を実行する中央のまたは空間的に分散されたデバイスに送信することができる。
【００６０】
いくつかの実施形態では、この方法は、ネットワーク、特にクラウド環境または分散型コンピュータネットワークの少なくとも１つの中央ノードにおいて実行され、少なくとも１つの中央ノードは、それぞれの測定データを受信するために、それぞれの測定データを取得するための、特に本発明の第１の態様による、複数のセンサデバイスと通信接続するように構成されている。これは、特に、方法を実行するためのリソースの強力かつ可変的な使用を可能にする。また、方法の実行のために使用されるソフトウェアの変更、特にアップデートは、したがって、それぞれのセンサデバイスのそれぞれに分散させられる必要なしに中央で行うことができ、これにより、全体的なシステムを容易にさらに発展させかつアップデートさせることができる。
【００６１】
本発明の第３の態様は、プロセッサプラットフォーム上で実行されるとき、本発明の第２の態様、特にその説明される実施形態のうちの１つ以上による方法を実行するように構成された、コンピュータプログラムに関する。プロセッサプラットフォームは、１つまたは複数のプロセッサを含んでもよく、例えば１つのコンピュータにおいて、ローカルの集中させられた形式で、または逆に、分散化させられた、分散型コンピュータネットワークにわたって実施されてもよい。具体的には、プロセッサプラットフォームおよびコンピュータプログラムは、センサデバイス自体が方法を実行することを可能にするためにセンサデバイス自体に存在してもよい。
【００６２】
コンピュータプログラムは、特に、不揮発性データキャリアに記憶されてもよい。好ましくは、これは、光学データキャリアまたはフラッシュメモリモジュールの形態のデータキャリアである。これは、そのようなコンピュータプログラムが、１つ以上のプログラムが実行されるプロセッサプラットフォームから独立してトレードされることが意図されている場合に有利であることがある。異なる実施態様では、コンピュータプログラムは、データ処理ユニット上、特にサーバ上のファイルとして提供されてもよく、データ接続、例えばインターネット、または所有またはローカルネットワークなどの専用のデータ接続を介してダウンロードすることができる。さらに、コンピュータプログラムは、複数の相互作用する個々のプログラムモジュールを含んでもよい。
【００６３】
本発明の第４の態様は、土壌分析のためのデバイスに関し、このデバイスは、本発明の第２の態様による、特にその説明される実施形態のうちの１つ以上による方法を実行するように配置される。デバイスは、特に、前記プロセッサプラットフォームを含んでもよく、したがって、特に、コンピュータ、または分散させられた分散型コンピュータネットワークなどの、１つのデータ処理ユニットを含んでもよい。
【００６４】
特に、いくつかの実施形態では、デバイス自体は、測定データを取得するために、本発明の第１の態様、特にその説明される実施形態のうちの１つ以上によるセンサデバイスを含んでもよい。これは、特に、土壌分析に関するさらなる結果を得るための測定データの分析が、現場、すなわち、センサデバイス自体においてその場で行われ、これが、特に、特にオフライン動作、および外部プロセッサプラットフォームへの通信リンクの質から独立したこのような結果の決定も可能にする場合に、有利である。
【００６５】
本発明の第２の態様に関して説明された特徴および利点は、本発明の第３および第４の態様に同様に当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
本発明のさらなる利点、特徴および可能な用途は、図面に関連した以下の詳細な説明から明らかになる。
図面では、
【図１】本発明の一実施形態によるセンサデバイスを概略的に示す。
【図２】測定モジュールに加えて動作／無線モジュールが設けられた、本発明のさらなる実施形態によるモジュール式に構成されたセンサデバイスを概略的に示す。
【図３Ａ】本発明の一実施形態によるセンサデバイスのための統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリを模式的に示す。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態によるセンサデバイスのための統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリのための簡略化された等価回路図を示す。
【図４】本発明の一実施形態によるセンサデバイスのための電位測定アセンブリ、特にｐＨセンサアセンブリを概略的に示す。
【図５】本発明の一実施形態によるセンサデバイスのための吸光度計アセンブリを概略的に示す。
【図６】本発明の一実施形態による、土壌分析のための全体的なシステムの概略図を示す。
【図７】例として、図１または図２によるセンサデバイスのセンサによって検出することができる個々の測定量の間の様々な相関関係の概要を示し、個々の測定量によって、様々な土壌特性を、本発明による方法によるデータ融合の範囲内で決定することができる。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
図では、本発明の同じまたは相互に対応する要素に対して、全体を通して同じ参照符号が使用される。
【００６８】
本発明の一実施形態による図１に示されたセンサデバイス１は、モジュールとして構成されており、このモジュール自体は、共通のハウジング２において複数のアセンブリ、特にセンサアセンブリを含む。これらのアセンブリの第１のアセンブリは、ロッド状またはスパイク状の第１の支持部材内に少なくとも部分的に構成され、分析される土壌に差し込むように構成された、組み合わされたインピーダンス／温度センサアセンブリ３である。アセンブリのさらなる１つは、第１の支持部材と同様に、ロッド状またはスパイク状の形状を有し、同様に分析される土壌に差し込むように構成された第２の支持部材によって形成された電位測定アセンブリ４、特にｐＨセンサアセンブリである。これらの２つのアセンブリ３とアセンブリ４との間、ならびにそれらのすぐ近くに、吸光度計アセンブリ５が、アセンブリのさらなる１つとして配置されており、この吸光度計アセンブリ５は、第１および第２の支持部材が両方とも分析される土壌に差し込まれたときに土壌の上またはその上方に置かれるように位置決めされた測定窓を有する。したがって、３つのセンサアセンブリは、小さな面積、好ましくは１００ｃｍ２未満の総面積に集中させられており、これにより、測定結果への、分析される土壌中の異質性の影響を低く抑えることができ、特に最小限に抑えることができる。センサデバイス１は、好ましくは２５ｋｇ未満の重さで、１ｍ未満の最大範囲、好ましくは０．５ｍの最大範囲を有するモバイルユニット、特にポータブルユニットとして構成されている。加えて、センサデバイス１は、特に、例えばリチウムイオン電池等の充電式電気化学エネルギー貯蔵デバイスの形態で構成することができるエネルギー供給デバイス（図示せず）を有する。
【００６９】
個々のアセンブリ、特にセンサデバイス１のセンサアセンブリ２、３および４は、個々に取外し可能または交換可能なモジュールとしてそれぞれ構成することもでき、これは特に、異なるセンサ構成を単純かつダイナミックな形式で生成すること、ならびに経年劣化または保守性の状態に応じて個々のセンサアセンブリを個々にメンテナンスまたは交換することを可能にする。
【００７０】
したがって、測定ごとに、センサデバイス１は、対応する測定データを取得するために、最大４つの異なるセンサタイプおよびそれらの異なる測定原理の使用を可能にし、それに基づき、相関またはデータ融合を利用して、土壌特性の直接測定に勝る土壌特性の決定を、いずれにしても多くの用途にとって十分に高い精度で、現場で達成することができる。特に、例えば、測定される土壌のインピーダンス、土壌温度、スペクトル範囲全体におけるその吸収スペクトルＵＶ−ＶＩＳ−ＩＲ、ならびにそのｐＨ値を、同時にかつ可能な限り最小の空間において測定することができる。まさに、様々なセンサアセンブリ２、３および４の測定量トランスデューサのこの近接した配置こそが、典型的な用途、特に農業技術用途に必要な精度で土壌特性を決定する目的で測定データの相関を成功させることを可能にする。加えて、測定量トランスデューサの密な配置はまた、超高解像度の土壌マップ、すなわち、１００ｃｍ２グリッドセルエリア未満のグリッドを有する土壌マップを生成することを可能にする。測定される異なる量を同時に検出することにより、個々の測定値間のダイナミックでかつ真実の依存性を表すことも可能になる。特に、測定アーチファクトは、したがって、元の測定結果の質をさらに向上させるために、適切な評価ソフトウェアによって、例えば人工知能に基づいて、既に現場で認識および除去することもできる。
【００７１】
図２は、本発明のさらなる実施形態による、モジュール形式で構成されたセンサデバイス１を示す。センサデバイス１は、センサモジュール６ａに加えて、解放可能な接続によってセンサモジュール６ａに結合することができる操作／無線モジュール６ｂも有する。２つのモジュール６ａおよび６ｂは、図２において、一方が別個のモジュール（左下）として、他方が接続状態（右上）にあるものとして示されている。２つのモジュール６ａおよび６ｂのハウジングは、好ましくは、２つのモジュールが互いに接続されているとき、運搬または操作ハンドル１０が接続領域に形成されるように構成されており、この運搬または操作ハンドル１０は、人間の手によって容易に掴むことができ、特に包み込むことができ、これは、分析のために土壌に差し込まれたセンサデバイス１を土壌から除去するのにも特に適している。図２に示されるように、ハンドルは、特に、２つのモジュール６ａとモジュールｂとの間の接続領域におけるセンサデバイス１の断面の減少として構成することができる。動作／無線モジュール６ｂは、位置決めデバイス７を備え、位置決めデバイス７を利用することにより、特に測定プロセス中にセンサデバイス１の位置を判定し、例えば、ＧＰＳ、ガリレオまたはＧＬＯＮＡＳＳなどの衛星ベースの位置認識システムと協力して、または移動式無線補助ポジショニングを利用して、測定に属するメタデータとして対応する位置データを生成することが可能である。
【００７２】
加えて、操作／無線モジュール６ｂは、通信デバイス８を備え、通信デバイス８は、特に、センサデバイス１によって取得された測定データをさらなる評価のために外部データ処理センターに送信するために、次いで、場合によっては、そのような評価から生じた土壌分析結果を受信し、それらをセンサデバイス１自体においてマンマシンインタフェース９で出力するために、モバイル無線技術（例えば、３Ｇ、ＬＴＥ、５Ｇ）またはＬｏＲａおよび／またはＮＢ−ＩｏＴなどの別の無線技術を介して、外部カウンターパートとのデータ通信を行うように設定することができる。このようなマンマシンインタフェース９は、制御ディスプレイとして、好ましくは可能な限り多くのスペースを節約する解決手段に関して、特にセンサデバイス１におけるディスプレイデバイスの形態で提供することができ、この制御ディスプレイは、場合によっては、例えばタッチスクリーンによってユーザ入力および情報の出力を可能にする。
【００７３】
図３Ａは、本発明の一実施形態によるセンサデバイスのための統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリ３を示し、この統合されたインピーダンス／温度センサアセンブリ３は、分析される土壌１１に差し込まれており、特に図１または図２に示されたようにセンサデバイス１内に設けられてもよい。これに伴い、図３Ｂは、インピーダンス／温度センサアセンブリ３のインピーダンス測定分岐のための簡略化された等価回路図を示す。
【００７４】
図３Ａのセンサアセンブリ３は、特に金属、好ましくは耐食性金属から形成することができるスパイクの形態の第１の支持部材１２を備える。スパイクは、特に、実質的に円筒形の形状を有してもよく、差込み動作を容易にするために、土壌に差し込むことが意図された端面において先細りにされてもよい。パッシベーション層１３が、一般に差し込まれた状態において周囲の土壌と接触する表面領域において第１の支持部材１２に設けられており、このパッシベーション層１３は、特に１つ以上のポリマー材料を含んでもよく、電気絶縁体として作用する。パッシベーション層１３上には、２つの伝導性トラック１４が、互いに平行にかつ互いに接触することなく、第１の支持部材１２の周囲に巻き付けられている。したがって、２つの伝導性トラック１４は、パッシベーション層１３によって支持部材１２から電気的に絶縁されている。土壌に差し込むことができる先端とは反対側の端部において、インピーダンス／温度センサアセンブリ３は、支持部材１２の内部に配置されかつ支持部材１２の上側に配置された金属キャップ１６（金属ハウジング）によって保護されたプリント基板（ＰＣＢ）１５を備え、このプリント基板（ＰＣＢ）１５上には、集積回路または半導体センサコンポーネントの形態で、制御デバイス１５ａ、信号プリアンプ１５ｂおよび温度センサ１５ｃが設けられている。金属キャップ１６は、機械的保護のためだけでなく、内部に配置された温度センサ１５ｃ、制御デバイス１５ａおよび信号プリアンプ１５ｂのための電磁シールドとしても機能する。センサアセンブリ３を制御するために機能する他、制御デバイス１５ａは、インピーダンスを測定し、対応する測定データを提供するためにも機能し、制御デバイス１５ａは、信号プリアンプ１５ｂを介して２つの伝導性トラック１４の各々に電気的に接続されている。温度センサ１５ｃも伝導性トラック１４に接続することができ、この場合、伝導性トラック１４は、第１の支持部材１２に加えてまたはその代わりに、温度センサ１５ｃのための測定量トランスデューサとして機能する一方、いずれにしても、伝導性トラック１４は、インピーダンス測定のための測定電極として機能する。
【００７５】
したがって、インピーダンス／温度センサアセンブリ３は、そのインピーダンス測定分岐に関する限りで、図３Ｂに記載された簡略化された等価回路図によって説明することができる。インピーダンス測定プロセスの間、２つの伝導性トラック１４の第１の伝導性トラック１４ａと、対応する第２の伝導性トラック１４ｂとの間に、制御デバイス１５ａによって所定の交流測定電圧が印加される。測定プロセスの間、伝導性トラック１４が配置された第１の支持部材１１が、分析される土壌１１に差し込まれるので、したがって、２つの伝導性トラック１４ａ、１４ｂは、それらを取り囲む土壌１１と電気接触し、これにより、土壌１１が、電気抵抗器Ｒｅｌの意味で２つの伝導性トラック１４ａ、１４ｂを接続する。等価回路図において、２つの伝導性トラック１４ａ、１４ｂはそれぞれ、電気抵抗ＲＣＴ１およびＲＣＴ１自体と、並列に接続された（寄生）容量ＣＤＬ１およびＣＤＬ２とを有する。図３Ｂに示された関係により、これに対応して、印加されたＡＣ測定電圧の周波数ωの関数として、インピーダンススペクトルＺ（ω）を決定することができる。インピーダンススペクトルＺ（ω）を取得するために使用される周波数範囲は、用途に応じて選択することができ、一般に、１００Ｈｚ〜１ＭＨｚの周波数範囲を含む。第１の支持部材１２は、理想的には、インピーダンス測定プロセス中に地電位に接続され、この目的のために、例えば、センサデバイス１の電源のニュートラル端子に電気的に接続され、これは、外部電磁結合によって引き起こされるＺ（ω）の信号歪みに反作用する。
【００７６】
得られたこのインピーダンススペクトルＺ（ω）に基づいて、土壌タイプ、土壌テクスチャ、導電性、含水量、イオン濃度、およびイオンタイプに関する区別を、さらなる評価、特に、誘電性混合物モデル（例えば、Ｂｒｕｇｇｅｍａｎモデル、Ｍａｘｗｅｌｌ  Ｇａｒｎｅｔｔモデル）によって、達成することができる。このようにして定量的評価も可能である。インピーダンス測定と同時に、加えて温度センサによって温度測定を行うことができ、すでに述べたように、２つの伝導性トラック１４および／または第１の支持部材１２は、測定量トランスデューサとして機能することができる。すでに、インピーダンス／温度センサアセンブリ３は、いくつかの実施形態では、特に、センサデバイス１のセンサの全体、またはセンサデバイス１自体を表すことができる。
【００７７】
図４は、分析される土壌１１に差し込まれる、特に図１または図２によるセンサデバイス１に設けられてもよい、本発明の実施形態による電位測定アセンブリ４、特にｐＨセンサアセンブリを示す。電位測定アセンブリ４は、スパイクの形態の第２の支持部材１７を備え、その形状は、特に、インピーダンス／温度センサアセンブリ３の第１の支持部材１２の形状に実質的に対応してもよい。パッシベーション層１８、特に（例えば、ＨＤＰＥの）ポリマーパッシベーションが、第２の支持部材１７の表面部分に設けられており、この表面部分は、差し込まれた状態において、分析される土壌１１と接触することが意図されている。
【００７８】
このパッシベーション層１８には、一方では金属酸化物電極２１と、校正電極２２とが環状の伝導性トラックの形態で配置されており、これらを用いることにより、特にインピーダンス／温度センサアセンブリ３によって決定することができる土壌１１の電気抵抗が既知であるならば、金属酸化物電極２１の状態、特に層厚を、土壌１１を介して電気的に結合された２つの電極２１と電極２２との間の抵抗測定または伝導率測定によって決定することができる。次いで、層厚は、土壌１１の酸性または塩基性の性質、特にｐＨ値の実際の測定のための校正量として使用することができる。特に、測定は、各ｐＨ測定の前に、または所定の時間間隔で周期的に行うことができる。このようにして、電位測定アセンブリは、独立して（現場）自動校正を行うことができる。
【００７９】
金属酸化物電極２１と、校正電極２２とは、特に金属から形成されてもよい第２の支持部材１７からおよび互いから、パッシベーション層１８によってそれぞれ電気的に絶縁されている。校正電極２２は、特に、伝導性ポリマー材料および／または伝導性複合材料を含有してもよく、または全体的にこれらの材料から形成されてもよい。金属酸化物電極２１と、校正電極２２とはそれぞれ、特に関連する電極２１および２２と同じ材料から形成されてもよい電気接点２１ａおよび２２ａをそれぞれ備える。
【００８０】
電位測定によって土壌の酸性または塩基性の性質を測定するために、電位測定アセンブリ４は、電解質／金属基準電極１９（例えば、ＡｇＣｌ／Ａｇ電極）をさらに含み、電解質／金属基準電極１９は、第２の支持部材１７の一部としてまたは第２の支持部材１７の補足部として構成された金属ハウジング２３（金属キャップ）に配置された構成要素として、電解質基準電極としての、液体またはペースト状の電解質１９ａを受容するための電解質容器１９ｂと、電解質容器１９ｂおよび電解質容器１９ｂ内に位置する電解質１９ａと導電的に接触した金属基準電極１９ｃと、を含有する。特に、基準電極１９の堅牢な機械的保護は、金属ハウジング２３によって達成される。
【００８１】
金属酸化物電極２１と、電解質／金属基準電極１９と、第２の支持部材１７の表面においてこれらの間に配置されかつ電解質／金属基準電極１９とイオン伝導接触しかつ測定プロセス中に周囲の土壌１１を介して金属酸化物電極とイオン伝導接触させられることもできるイオンダイアフラム２０との組み合わせは、上記ですでに言及した化学的酸化還元反応に基づき土壌１１の酸性または塩基性の性質を測定するための測定デバイスを表す。
【化２】
2021521461.tif 000014
【００８２】
この反応の反応平衡は、土壌１１に存在する水素イオン（Ｈ＋）の濃度によっても大いに決定され、これにより、土壌におけるＨ＋イオン濃度、したがって土壌のｐＨ値を、金属酸化物電極２１の状態の記載された測定に基づく校正を考慮に入れて、測定中に生じるイオン電流または金属酸化物電極２１と電解質／金属基準電極１９との間に生じる電位差によって決定することができる。
【００８３】
図５は、特に図１または図２によるセンサデバイス１であることができる本発明によるセンサデバイスのための吸光度計アセンブリ５を概略的に示す。これに従って、以下では、センサデバイス１が再び参照される。吸光度計アセンブリ５は、軸Ａを中心に回転可能であり、かつ２つのセンサアセンブリ３とセンサアセンブリ４との間においてセンサデバイス１のハウジング２に取り付けられた、実質的にディスク状のキャリア２４を備え、キャリア２４の１つのディスク表面は、ハウジング２の開口部に面し、ハウジング２の開口部は、吸光度計アセンブリ５の測定開口部または測定窓として機能する。その外側幾何学的境界に位置するこの開口部の仮想領域は、測定面Ｍと称することもでき、測定面Ｍは、測定動作において一般に、図５に破線で示された分析される土壌１１の表面に対して少なくとも実質的に平行に位置するまたは分析される土壌１１の表面と一致する。キャリア２４は、測定動作中に土壌の表面より上方に位置するようにこの測定面Ｍに対して位置決めされており、ハウジング２の形状によって最小距離が規定される。測定面に面したギャリア２４の側において、２つ（または３つ以上）の個々のＭＥＭＳ吸光度計２６ａ、２６ｂがキャリア２４に配置されており、各ＭＥＭＳ吸光度計２６ａ、２６ｂは、異なるスペクトル範囲を少なくとも部分的にカバーし、総体的に、特に３５０ｎｍ〜１７００ｎｍのスペクトル範囲を含むＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲスペクトル範囲をカバーする。吸光度計を製造するためのＭＥＭＳ技術の使用は、特に小さな、したがってスペース効率のよい実施形態の製造を可能にする。
【００８４】
加えて、電磁放射のためのソース２５、例えばハロゲンランプが、キャリア２４の同じ側に設けられており、ハロゲンランプの放射はＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲスペクトル範囲をカバーする。ソース２５および吸光度計２６ａ、２６ｂは互いに関して配置されているまたはキャリア２４に形成されたスクリーンによって互いに光学的に分離されており、これにより、ソース２５の放射は、反射された放射の形態で間接的な形式でのみ吸光度計２６ａ、２６ｂに達することができる。
【００８５】
加えて、吸光度計アセンブリ５は、保護光学系２７を備え、この保護光学系２７は、特に、言及したスペクトル範囲において少なくともほとんど透明である引っかき抵抗性材料からなるディスク、例えばサファイアガラスディスクの形態で構成することができ、引っかき保護を向上させる親水性ナノコーティングを備える。ナノコーティングは、光学系をよりクリーンに保つことを容易にし、これは光学系をクリーンにすることがより容易であることを意味し、また、ナノコーティングは光学系の機械的堅牢性を高める。保護光学系２７は、光学構成要素２５、２６ａ、２６ｂがその上に配置されたキャリア２４と、（キャリア２４から例えば約３ｃｍの距離における）測定面との間に配置されており、保護光学系２７は、埃、水分および機械的に生じる損傷などの、特に分析される土壌１１からの有害な外部影響に対して光学構成要素を保護することができる。
【００８６】
さらに、吸光度計アセンブリ５は、閉鎖またはシャッターデバイス２８を備え、この閉鎖またはシャッターデバイス２８は基本的に、光学構成要素２５、２６ａ、２６ｂを備えるキャリア２４とそれぞれの光学系２７との間に画定されたスペース内へ、好ましくは保護光学系２７に対して平行に延長（および再び後退）させられることができるディスク状スクリーンである。光学構成要素２５、２６ａ、２６ｂに面した側において、このスクリーンは、校正コーティング２９、例えばスペクトラロンがコーティングされている。スペクトラロンは、電磁スペクトルの紫外線（ＵＶ）および可視（ＶＩＳ）範囲、ならびに近赤外線（ＮＩＲ）範囲において、非常に高い均一な反射率を有する焼結ＰＴＦＥから形成された材料である。スペクトラロンは、ランバート反射挙動を示し、すなわち非常に拡散的に反射するまたはマットである。校正コーティング２９は校正基準として機能し、この校正基準を利用して、この目的のためにスクリーンが吸光度計２６ａ、２６ｂと保護光学系２７との間のスペース内へ延長させられているときに、吸光度計２６ａ、２６ｂを現場で校正することができる。しかしながら、土壌分析のための測定プロセス中、光学構成要素２５、２６ａ、２６ｂと土壌１１との間のビームパスを妨害しないようにスクリーンは後退させられる。
【００８７】
加えて、吸光度計アセンブリ５は以下のように構成されており、すなわち、測定動作中に、分析される土壌１１の土壌表面が測定表面と少なくとも実質的に一致するとき、キャリア２４が、測定表面に対して実質的に垂直な回転軸Ａを中心に回転させられる一方で、ソース２５および２つの吸光度計２６ａ、２６ｂが作動させられ、土壌表面において反射されたソース２５の放射に基づいて、上述のスペクトル範囲内の吸収スペクトルを吸光度計２６ａ、２６ｂに記録する。
【００８８】
図６は、本発明の一実施形態による、土壌分析のための（全体的な）システム３０の概略図を示す。システム３０は、分析される土壌の特性を特徴付ける測定データをその場で、すなわち現場で取得するために機能する、図１または図２による１つ、または一般に複数のセンサデバイス、特にセンサデバイス１（そのうちの１つのみが本明細書に示される）を備える。次いで、これらの測定データは、それぞれのセンサデバイス１から、通信デバイス８によって、特にブロックチェーン転送として構成することができる通信リンクを介して、特にコンピュータネットワークまたはクラウド環境内の１つ以上のネットワークノード（例えばサーバ）の形態で実施することができるデバイス外部カウンターパート３３へ送信することができる。
【００８９】
示された例では、送信は複数の段階で行われ、すなわち、測定データおよび該当する場合、測定のためのあらゆる関連するメタデータが、まず、特にＬｏＲａまたはＮＢ−ＩｏＴ無線技術によって実施することができる無線通信リンクを介して、例えばシステム３０を使用する農家の農場上に配置することができるゲートウェイ３２へ送信される。このゲートウェイ３２から、測定データおよびメタデータを、評価のために、例えば、無線または有線インターネット接続を介した従来の方法でカウンターパート３３へさらに送信することができる。センサデバイス１とカウンターパート３３との間の通信全体がブロックチェーン技術によって実行されるように、好ましくはブロックチェーン転送が再び使用されることが想定される。この通信経路は双方向であり、これにより、この通信経路は、特に、カウンターパートへ送信された測定データおよびメタデータに基づき、カウンターパート３３によって取得された分析データのそれぞれのセンサデバイス１への送信のために、反対方向で使用することもできる。特定の実施形態に応じて、それぞれのセンサデバイス１によって取得されるメタデータは、特に、実施される土壌測定の時点および場所、ならびに固有のデバイス識別および／またはユーザ識別に関する情報を含むことができる。
【００９０】
加えて、または代替手段として、カウンターパート３３と１つ以上のユーザ端末デバイス３４との間にさらなる通信リンク３５を設けることができ、このさらなる通信リンク３５は、特に、例えばウェブポータルを介するリモートアクセスとして構成することができ、有利にはやはりブロックチェーン技術によって実行することができる。システム内のすべての通信リンクは、好ましくは、データセキュリティを維持し、改ざんに対して保護するために、例えば、既知の非対称または対称暗号化方法によって暗号化される。通信リンク３５は、取得された分析データにアクセスするさらなる方法を提供する。例えば、農家または園芸家は、センサデバイス１を持ち歩く必要なしに、対応する端末デバイス３４を介して、測定が行われた後比較的長い期間が過ぎていても、例えば自分の農場から、またはさらには移動中でも、このように分析データにアクセスすることができる。
【００９１】
図７は、図１または図２によるセンサデバイスのセンサによって検出することができる個々の測定量の間の様々な相関関係の概略を例として示しており、これにより、本発明による方法に従ってデータ融合（またはここでは同義的にセンサ融合）の範囲内で様々な土壌特性を決定することができる。相関は、対応するラベル付き矢印によってマークされており、ラベルは、特に、センサアセンブリ３〜５によって直接的に生成された様々な測定量の間の相関関係を形成するためにデータ融合の範囲内で使用することができる物理量または化学量を示しており、これは、追加的な引き出された土壌特性が決定されることを可能にしかつ／または達成可能な結果の精度が高められることを可能にする。特に、特に総窒素含有量、総腐植含有量、有機物に対する窒素の比、利用可能なリン酸塩の量、利用可能なカリウムの量、利用可能なマグネシウムの量、導電性、土壌の水分、および土壌のｐＨ値を含む農業および園芸のための複数の重要なパラメータをこのようにして決定することができる。
【００９２】
少なくとも１つの例示的な実施形態が上述されているが、これには多数の変化態様があることに留意されたい。また、説明された例示的な実施形態は、非限定的な例のみを表し、それによって本明細書に記載されるデバイスおよび方法の範囲、適用可能性または構成を限定することは意図されていないことに留意されたい。むしろ、前述の説明は、少なくとも１つの例示的な実施形態の実施のための説明を当業者に提供しており、それぞれ添付の特許請求の範囲に定義された対象およびその法的等価物から逸脱することなく、例示的な実施形態に記載された要素の機能性および配置に関して様々な変更を行うことができることが理解される。
【符号の説明】
【００９３】
参照符号のリスト
１  センサデバイス
２  ハウジング
３  インピーダンス／温度センサアセンブリ
４  電位測定アセンブリ、特にｐＨセンサアセンブリ
５  吸光度計アセンブリ
６ａ  センサモジュール
６ｂ  オペレーティング／無線モジュール
７  位置判定デバイス
８  通信デバイス
９  マンマシンインタフェース、特に操作ディスプレイ
１０  運搬ハンドルまたは操作ハンドル
１１  土壌
１２    スパイクの形状の（第１の）支持部材
１３  第１の支持部材のパッシベーション、特にポリマーパッシベーション
１４  伝導性トラック
１４ａ  第１の伝導性トラック
１４ｂ  第２の伝導性トラック
１５  制御デバイスおよび温度センサを備えた集積ＰＣＢ
１５ａ  制御デバイス
１５ｂ  信号プリアンプ
１５ｃ  温度センサ
１６  第１の支持部材の金属ハウジング、特に金属キャップ
１７  スパイクの形状の（第２の）支持部材
１８  第２の支持部材のパッシベーション、特にポリマーパッシベーション
１９  電解質／金属基準電極
１９ａ  電解質基準電極（電解質）
１９ｂ  電解質容器
１９ｃ  金属基準電極
２０  イオンダイアフラム
２１  金属酸化物電極
２１ａ  金属酸化物電極の接点
２２  校正電極
２２ａ  校正電極の接点
２３  第２の支持部材の金属ハウジング、特に金属キャップ
２４  回転軸Ａを有する回転可能なキャリア
２５  電磁放射源
２６ａ、ｂ  測定面Ｍを有するＭＥＭＳ吸光度計
２７    （保護）光学系、特に親水性ナノコーティングを有するサファイアガラス
２８  シャッターデバイス
２９  校正基準、特に校正コーティング
３０  現場土壌分析のためのシステム
３１  通信リンク、特にブロックチェーン転送
３２  ゲートウェイ
３３  カウンターパート、特にブロックチェーン／クラウド環境またはローカル評価デバイス
３４  ユーザ端子デバイス
３５  リモートアクセス
【国際調査報告】
2021521461.tif 000015
2021521461.tif 000016
2021521461.tif 000017
2021521461.tif 000018
2021521461.tif 000019
2021521461.tif 000020
2021521461.tif 000021
2021521461.tif 000022
2021521461.tif 000023
2021521461.tif 000024