DIY LED-fotometer met Arduino voor natuur- of scheikundelessen - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Hallo!

Vloeistoffen of andere objecten lijken gekleurd omdat ze bepaalde kleuren reflecteren of doorlaten en op hun beurt andere inslikken (absorberen). Met een zogenaamde fotometer kunnen die kleuren (golflengten) worden bepaald, die door vloeistoffen worden geabsorbeerd. Het basisprincipe is simpel: bij een LED van een bepaalde kleur schijn je eerst door een cuvet gevuld met water of een ander oplosmiddel. Een fotodiode meet de invallende lichtintensiteit en zet deze om in een proportionele spanning U0. Deze waarde wordt genoteerd. Daarna wordt een cuvet met de te onderzoeken vloeistof in de stralengang geplaatst en meet opnieuw de lichtintensiteit of spanning U. De transmissiefactor in procenten wordt dan eenvoudig berekend door T = U / U0 * 100. Om de absorptiefactor te krijgen A je hoeft alleen maar A = 100 minus T te berekenen.

Deze meting wordt herhaald met verschillend gekleurde LED's en bepaalt telkens T of A als functie van de golflengte (kleur). Doe je dit met voldoende leds, dan krijg je een absorptiecurve.

Stap 1: De onderdelen

Voor de fotometer heb je de volgende onderdelen nodig:

* Een zwarte kast met de afmetingen 160 x 100 x 70 mm of vergelijkbaar: behuizing

* Een Arduino Nano: ebay arduino nano

* Een operationele versterker LF356: ebay LF356

* 3 condensatoren met een capaciteit van 10μF: ebay condensatoren

* 2 condensatoren met C = 100nF en een condensator met 1nF: ebay condensatoren

* Eén spanningsomvormer ICL7660: ebay ICL7660

* Een fotodiode BPW34: ebay BPW34 fotodiode

* 6 weerstanden met 100, 1k, 10k, 100k, 1M en 10M ohm: ebay-weerstanden

* een I²C 16x2 display: ebay 16x2 display

* een 2x6 draaischakelaar: draaischakelaar

* een 9V batterijhouder en een 9V batterij: batterijhouder

* een schakelaar: schakelaar

* Glazen cuvetten: ebay cuvetten

* LED's met verschillende kleur: b.v. ebay LED's

* een simpele 0-15V voeding om de LED's van stroom te voorzien

* hout voor de kuvettenhouder

Stap 2: Het circuit en de Arduino-code

De schakeling voor de fotometer is heel eenvoudig. Het bestaat uit een fotodiode, een operationele versterker, een spanningsomvormer en enkele andere onderdelen (weerstanden, schakelaars, condensatoren). Het principe van dit type schakeling is om de (lage) stroom van de fotodiode om te zetten in een hogere spanning, die door de arduino nano kan worden uitgelezen. De vermenigvuldigingsfactor wordt bepaald door de waarde van de weerstand in de terugkoppeling van de OPA. Om flexibeler te zijn heb ik 6 verschillende weerstanden genomen, die kunnen worden gekozen met de draaischakelaar. De laagste "vergroting" is 100, de hoogste 10 000 000. Alles wordt gevoed door een enkele 9V-batterij.

Stap 3: Eerste experiment: de absorptiecurve van chlorofyl

Voor de meetprocedure: Een kuvet wordt gevuld met water of een ander transparant oplosmiddel. Deze wordt dan in de fotometer geplaatst. De cuvet wordt afgedekt met een lichtdicht deksel. Stel nu de voeding voor de LED zo in dat er een stroom van ongeveer 10-20mA door de LED vloeit. Gebruik daarna de draaischakelaar om de positie te selecteren waarop de uitgangsspanning van de fotodiode ongeveer 3-4V is. De fijnafstemming van de uitgangsspanning kan nog steeds met de instelbare voeding. Deze spanning U0 wordt genoteerd. Neem vervolgens de cuvet met de te onderzoeken vloeistof en plaats deze in de fotometer. Op dit punt moeten de spanning van de voeding en de positie van de draaischakelaar ongewijzigd blijven! Bedek vervolgens de cuvet opnieuw met het deksel en meet de spanning U. Voor de transmissie T in procent is de waarde T = U / U0 * 100. Om de absorptiecoëfficiënt A te krijgen, hoeft u alleen maar A = 100 - T te berekenen.

Ik kocht de verschillende gekleurde LED's van Roithner Lasertechnik, dat is gevestigd in Oostenrijk, mijn thuisland. Hiervoor wordt de respectieve golflengte gegeven in nanometers. Om echt zeker te zijn kan men de dominante golflengte controleren met een spectroscoop en de Theremino-software (theremino-spectrometer). In mijn geval kwamen de gegevens in nm redelijk goed overeen met de metingen. Bij het selecteren van de LED's moet u een gelijkmatige dekking van het golflengtebereik van 395 nm tot 850 nm bereiken.

Voor het eerste experiment met de fotometer koos ik voor chlorofyl. Maar daarvoor moet je gras van een weiland plukken in de hoop dat niemand naar je kijkt…

Dit gras wordt vervolgens in kleine stukjes gesneden en samen met propanol of ethanol in een pot gedaan. Nu plet je de bladeren met een vijzel of een vork. Na enkele minuten is het chlorofyl mooi opgelost in de propanol. Deze oplossing is nog te sterk. Het moet worden verdund met voldoende propanol. En om suspensie te voorkomen, moet de oplossing worden gefilterd. Ik nam een gewone koffiefilter.

Het resultaat moet eruit zien zoals op de afbeelding. Een zeer doorschijnende groen-gelige oplossing. Vervolgens herhaal je de meting (U0, U) bij elke LED. Zoals blijkt uit de verkregen absorptiecurve, komen theorie en meting vrij goed overeen. Chlorofyl a + b absorbeert zeer sterk in het blauwe en rode spectrale bereik, terwijl groen-geel en infrarood licht de oplossing vrijwel ongehinderd kan binnendringen. In het infraroodbereik is de absorptie zelfs bijna nul.

Stap 4: Tweede experiment: de afhankelijkheid van het uitsterven van de concentratie van kaliumpermanganaat

Als verder experiment biedt de bepaling van de extinctie afhankelijk van de concentratie van de opgeloste stof. Als opgeloste stof gebruik ik kaliumpermanganaat. De lichtintensiteit na het doordringen in de oplossing volgt de wet van Lambert-Beer: deze luidt I = I0 * 10 ^ (- E). I0 is de intensiteit zonder opgeloste stof, I de intensiteit met opgeloste stof en E de zogenaamde extinctie. Deze extinctie E hangt (lineair) af van de dikte x van de cuvet en van de concentratie c van de opgeloste stof. Dus E = k * c * x met k als de molaire absorptiecoëfficiënt. Om de extinctie E te bepalen heb je alleen I en I0 nodig, want E = lg (I0 / I). Wanneer de intensiteit wordt teruggebracht tot bijvoorbeeld 10%, is de extinctie E = 1 (10 ^ -1). Met een verzwakking tot slechts 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Als men E toepast als functie van de concentratie c, verwachten we een stijgende rechte lijn door het nulpunt te krijgen.

Zoals je kunt zien aan mijn extinctiecurve, is deze niet lineair. Bij hogere concentraties vlakt het af, met name vanaf concentraties hoger dan 0,25. Dit betekent dat de uitsterving lager is dan zou worden verwacht volgens de wet van Lambert-Beer. Als we echter alleen lagere concentraties beschouwen, bijvoorbeeld tussen 0 en 0,25, resulteert dit in een zeer mooie lineaire relatie tussen de concentratie c en de extinctie E. In dit bereik kan de onbekende concentratie c worden bepaald uit de gemeten extinctie E. In mijn geval, de concentratie heeft slechts willekeurige eenheden, aangezien ik de aanvankelijke hoeveelheid opgelost kaliumpermanganaat niet heb bepaald (het was slechts milligram, wat in mijn geval niet kon worden gemeten met mijn keukenweegschaal, opgelost in 4 ml water om te beginnen oplossing).

Stap 5: Conclusies

Deze fotometer is bijzonder geschikt voor lessen natuurkunde en scheikunde. De totale kosten bedragen slechts ongeveer 60 Euro = 70 USD. De verschillende gekleurde LED's zijn het duurste onderdeel. Op ebay of aliexpress vind je zeker goedkopere leds maar meestal weet je niet welke golflengte de leds hebben. Zo bezien is aankoop bij een speciaalzaak aan te raden.

In deze les leer je iets over de relatie tussen de kleur van vloeistoffen en hun absorptiegedrag, over het belangrijke chlorofyl, de wet van Lambert-Beer, exponentiëlen, transmissie en absorptie, berekening van procenten en de golflengten van de zichtbare kleuren. Ik denk dat dit nogal veel is…

Dus veel plezier met het maken van dit project in je les en Eureka!

Last but not least zou ik heel blij zijn als je op mij zou stemmen in de klas-wetenschap-wedstrijd. Dank daarvoor…

En als je geïnteresseerd bent in verdere natuurkundige experimenten, hier is mijn youtube-kanaal:

www.youtube.com/user/stopperl16/videos?

meer natuurkundeprojecten: