DIY LED-fotométer Arduino-val a fizika vagy a kémia számára: 5 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Helló!

A folyadékok vagy más tárgyak azért tűnnek színesnek, mert bizonyos színeket tükröznek vagy továbbítanak, másokat pedig lenyelnek (elnyelnek). Egy úgynevezett fotométerrel meg lehet határozni azokat a színeket (hullámhosszakat), amelyeket a folyadékok elnyelnek. Az alapelv egyszerű: egy bizonyos színű LED -del először átvilágít egy vízzel vagy más oldószerrel töltött küvettán. Egy fotodióda méri a bejövő fényintenzitást, és U0 arányos feszültséggé alakítja át. Ez az érték fel van tüntetve. Ezt követően a vizsgálandó folyadékot tartalmazó küvettát a sugárútba helyezzük, és ismét megmérjük a fényintenzitást vagy az U feszültséget. A százalékos átviteli tényezőt ezután egyszerűen kiszámítjuk T = U / U0 * 100 értékkel. Az abszorpciós tényező meghatározásához A csak ki kell számolnia A = 100 mínusz T.

Ez a mérés megismétlődik különböző színű LED -ekkel, és minden esetben meghatározza T vagy A hullámhossz (szín) függvényében. Ha ezt elegendő LED -del teszi, akkor abszorpciós görbét kap.

1. lépés: Az alkatrészek

A fotométerhez a következő alkatrészekre van szüksége:

* 160 x 100 x 70 mm vagy hasonló méretű fekete tok: ház

* Egy Arduino Nano: ebay arduino nano

* LF356 operációs erősítő: ebay LF356

* 3 db 10μF kapacitású kondenzátor: ebay kondenzátorok

* 2 C = 100 nF kondenzátor és 1 nF kondenzátor: ebay kondenzátorok

* Egy feszültségű inverter ICL7660: ebay ICL7660

* Egy BPW34 fotodióda: az ebay BPW34 fotodiódája

* 6 ellenállás 100, 1k, 10k, 100k, 1M és 10M ohmokkal: ebay ellenállások

* I²C 16x2 kijelző: ebay 16x2 kijelző

* 2x6 forgó kapcsoló: forgókapcsoló

* 9V elemtartó és 9V elem: elemtartó

* egy kapcsoló: kapcsoló

* Üveg küvetták: ebay küvetták

* Különböző színű LED -ek: pl. ebay LED -ek

* egyszerű 0-15V-os tápegység a LED-ek táplálására

* fa a küvettatartó számára

2. lépés: Az áramkör és az Arduino-kód

A fotométer áramköre nagyon egyszerű. Ez egy fotodiódából, egy operációs erősítőből, egy feszültség-inverterből és néhány más részből áll (ellenállások, kapcsolók, kondenzátorok). Az ilyen típusú áramkör elve az, hogy a fotodióda (alacsony) áramát magasabb feszültséggé alakítja át, amelyet az arduino nano leolvashat. A szorzótényezőt az ellenállás értéke határozza meg az OPA visszacsatolásában. A rugalmasság érdekében 6 különböző ellenállást vettem, amelyeket a forgókapcsolóval lehet választani. A legalacsonyabb "nagyítás" 100, a legnagyobb 10 000 000. Mindent egyetlen 9 V -os elem táplál.

3. lépés: Első kísérlet: a klorofill abszorpciós görbéje

A mérési eljáráshoz: A küvettát vízzel vagy átlátszó oldószerrel kell megtölteni. Ezt a fotométerbe helyezzük. A küvettát fényzáró fedél borítja. Most állítsa be a LED tápellátását úgy, hogy körülbelül 10-20 mA áram folyjon át a LED-en. Ezt követően a forgókapcsolóval válassza ki azt a pozíciót, ahol a fotodióda kimeneti feszültsége 3-4 V körül van. A kimeneti feszültség finomhangolása továbbra is elvégezhető az állítható tápegységgel. Ezt az U0 feszültséget jegyezzük fel. Ezután vegye ki a vizsgálandó folyadékot tartalmazó küvettát, és helyezze a fotométerbe. Ekkor a tápfeszültségnek és a forgókapcsoló helyzetének változatlannak kell maradnia! Ezután fedje le ismét a küvettát a fedéllel, és mérje meg az U feszültséget. A T átvitel százalékában az érték T = U / U0 * 100. Az A abszorpciós együttható eléréséhez csak ki kell számítani az A = 100 - T értéket.

A különböző színű LED -eket a Roithner Lasertechnik -től vásároltam, amely Ausztriában, hazámban található. Ezekhez a megfelelő hullámhosszot nanométerben adjuk meg. Annak érdekében, hogy valóban meggyőződhessünk arról, hogy spektroszkóppal és a Theremino szoftverrel (theremino spektrométer) ellenőrizhetjük az uralkodó hullámhosszat. Az én esetemben az adatok nm -ben teljesen egyeztek a mérésekkel. A LED -ek kiválasztásakor egyenletes lefedettséget kell elérnie a 395 nm és 850 nm közötti hullámhossztartományban.

A fotométerrel végzett első kísérlethez a klorofillt választottam. De ehhez füvet kell szednie egy rétről, remélve, hogy senki sem figyel rád…

Ezt a füvet ezután apró darabokra vágják, és propanollal vagy etanollal együtt egy edénybe teszik. Most mozsárral vagy villával összetöri a leveleket. Néhány perc múlva a klorofill szépen feloldódott a propanolban. Ez a megoldás még mindig túl erős. Meg kell hígítani elegendő propanollal. A szuszpendálás elkerülése érdekében az oldatot szűrni kell. Vettem egy közös kávészűrőt.

Az eredménynek a képen láthatónak kell lennie. Nagyon áttetsző zöld-sárgás oldat. Ezután ismételje meg a mérést (U0, U) minden LED -del. Amint az a kapott abszorpciós görbéből is látható, az elmélet és a mérés egészen jól megegyezik. A klorofill a + b nagyon erősen szívódik fel a kék és a vörös spektrális tartományban, míg a zöld-sárga és az infravörös fény szinte akadálytalanul behatol az oldatba. Az infravörös tartományban az abszorpció még a nulla közelében is van.

4. lépés: Második kísérlet: A kihalás függősége a kálium -permanganát koncentrációjától

További kísérletként az extinkció meghatározása az oldott anyag koncentrációjától függ. Oldott anyagként kálium -permanganátot használok. A fényintenzitás az oldatba való behatolás után a Lambert-Beer törvényt követi: I = I0 * 10 ^ (- E). I0 az intenzitás oldott anyag nélkül, I az intenzitás oldott anyaggal és E az úgynevezett kioltás. Ez az E kioltás (lineárisan) függ a küvettának x vastagságától és az oldott anyag c koncentrációjától. Így E = k * c * x, k pedig a moláris abszorpciós együttható. Az E kihalás meghatározásához csak I és I0 szükséges, mert E = lg (I0 / I). Ha az intenzitást például 10%-ra csökkentjük, az extinkció E = 1 (10 ^ -1). Csak 1%-os gyengüléssel E = 2 (10 ^ -2).

Ha az E -t alkalmazzuk a c koncentráció függvényében, akkor azt várjuk, hogy emelkedő egyenest kapunk a nulla ponton keresztül.

Amint a kihalási görbémből látható, ez nem lineáris. Magasabb koncentrációknál ellaposodik, különösen a 0,25 -nél nagyobb koncentrációtól. Ez azt jelenti, hogy a kihalás alacsonyabb, mint a Lambert-Beer törvény szerint várható lenne. Ha azonban csak az alacsonyabb koncentrációkat vesszük figyelembe, például 0 és 0,25 között, nagyon szép lineáris összefüggést eredményez a c koncentráció és az E kihalás között. Ebben a tartományban az ismeretlen c koncentráció meghatározható a mért E kihalásból., a koncentrációnak csak tetszőleges egységei vannak, mivel nem határoztam meg az oldott kálium-permanganát kezdeti mennyiségét (ez csak milligramm volt, amit az én konyhai skálámmal nem tudtam mérni, 4 ml vízben oldva megoldás).

5. lépés: Következtetések

Ez a fotométer különösen alkalmas fizika és kémia órákra. A teljes költség csak körülbelül 60 Euro = 70 USD. A különböző színű LED -ek a legdrágább alkatrészek. Az ebay -en vagy az aliexpress -en biztosan talál olcsóbb LED -eket, de általában nem tudja, milyen hullámhosszúak a LED -ek. Így nézve ajánlott szakkereskedőtől vásárolni.

Ebben a leckében megtudhat valamit a folyadékok színe és azok abszorpciós viselkedése közötti összefüggésről, a fontos klorofillről, a Lambert-Beer törvényről, az exponenciális értékekről, az átvitelről és az abszorpcióról, a százalékok számításáról és a látható színek hullámhosszáról. Szerintem ez elég sok…

Szóval jó szórakozást a projekt elkészítéséhez a leckében és Eureka!

Végül, de nem utolsósorban nagyon örülnék, ha szavazhatna rám az osztályterem-tudomány-versenyen. Köszönet érte…

Ha pedig további fizikai kísérletek érdekelnek, itt a youtube csatornám:

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

további fizikai projektek: