DIY-φωτόμετρο LED με Arduino για μαθήματα φυσικής ή χημείας: 5 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Γειά σου!

Τα υγρά ή άλλα αντικείμενα φαίνονται χρωματισμένα επειδή αντανακλούν ή μεταδίδουν ορισμένα χρώματα και με τη σειρά τους καταπίνουν (απορροφούν) άλλα. Με το λεγόμενο φωτόμετρο, μπορούν να προσδιοριστούν αυτά τα χρώματα (μήκη κύματος), τα οποία απορροφώνται από τα υγρά. Η βασική αρχή είναι απλή: με ένα LED συγκεκριμένου χρώματος λάμπετε πρώτα μέσα από μια κυψελίδα γεμάτη με νερό ή άλλο διαλύτη. Μια φωτοδίοδος μετρά την εισερχόμενη ένταση φωτός και τη μετατρέπει σε αναλογική τάση U0. Αυτή η τιμή σημειώνεται. Στη συνέχεια, μια κυψελίδα με το υγρό που πρόκειται να εξεταστεί τοποθετείται στη διαδρομή της δέσμης και μετρά ξανά την ένταση του φωτός ή την τάση U. Ο συντελεστής μετάδοσης σε ποσοστό υπολογίζεται τότε απλά με T = U / U0 * 100. Για να ληφθεί ο συντελεστής απορρόφησης Α απλώς πρέπει να υπολογίσετε το Α = 100 μείον το Τ.

Αυτή η μέτρηση επαναλαμβάνεται με διαφορετικά χρώματα LED και καθορίζει σε κάθε περίπτωση Τ ή Α ως συνάρτηση του μήκους κύματος (χρώμα). Εάν το κάνετε αυτό με αρκετά LED, έχετε μια καμπύλη απορρόφησης.

Βήμα 1: Τα μέρη

Για το φωτόμετρο χρειάζεστε τα ακόλουθα μέρη:

* Μαύρη θήκη με διαστάσεις 160 x 100 x 70 mm ή παρόμοια: περίβλημα

* An Arduino Nano: ebay arduino nano

* Ένας λειτουργικός ενισχυτής LF356: ebay LF356

* 3 πυκνωτές χωρητικότητας 10μF: πυκνωτές ebay

* 2 πυκνωτές με C = 100nF και έναν πυκνωτή με 1nF: πυκνωτές ebay

* Ένας μετατροπέας τάσης ICL7660: ebay ICL7660

* Μία φωτοδιόδος BPW34: φωτοδίοδος ebay BPW34

* 6 αντιστάσεις με 100, 1k, 10k, 100k, 1M και 10M ohms: αντιστάσεις ebay

* οθόνη I²C 16x2: οθόνη ebay 16x2

* περιστροφικός διακόπτης 2x6: περιστροφικός διακόπτης

* υποδοχή μπαταρίας 9V και μπαταρία 9V: υποδοχή μπαταρίας

* ένας διακόπτης: διακόπτης

* Γυάλινες κυψελίδες: κυψελίδες ebay

* LED με διαφορετικό χρώμα: f.e. LED ebay

* ένα απλό τροφοδοτικό 0-15V για την τροφοδοσία των LED

* ξύλο για τον κάτοχο της κυψελίδας

Βήμα 2: Το κύκλωμα και ο κώδικας Arduino

Το κύκλωμα για το φωτόμετρο είναι πολύ απλό. Αποτελείται από μια φωτοδίοδο, έναν ενισχυτή λειτουργίας, έναν μετατροπέα τάσης και μερικά άλλα μέρη (αντιστάσεις, διακόπτες, πυκνωτές). Η αρχή αυτού του τύπου κυκλώματος είναι η μετατροπή του (χαμηλού) ρεύματος από τη φωτοδίοδο σε υψηλότερη τάση, η οποία μπορεί να διαβαστεί από το arduino nano. Ο συντελεστής πολλαπλασιασμού καθορίζεται από την τιμή της αντίστασης στην ανάδραση του OPA. Για να γίνω πιο ευέλικτος, πήρα 6 διαφορετικές αντιστάσεις, οι οποίες μπορούν να επιλεγούν με τον περιστροφικό διακόπτη. Η χαμηλότερη "μεγέθυνση" είναι 100, η μεγαλύτερη 10 000 000. Όλα τροφοδοτούνται από μία μπαταρία 9V.

Βήμα 3: Πρώτο πείραμα: η καμπύλη απορρόφησης της χλωροφύλλης

Για τη διαδικασία μέτρησης: Μια κυψελίδα γεμίζει με νερό ή με διαφανές διαλύτη. Στη συνέχεια τοποθετείται στο φωτόμετρο. Η κυψελίδα καλύπτεται με ένα ελαφρώς σφιχτό καπάκι. Τώρα ρυθμίστε την παροχή ρεύματος για το LED έτσι ώστε ένα ρεύμα περίπου 10-20mA να ρέει μέσω του LED. Μετά από αυτό, χρησιμοποιήστε τον περιστροφικό διακόπτη για να επιλέξετε τη θέση στην οποία η τάση εξόδου της φωτοδιόδου είναι περίπου 3-4V. Ο καλός συντονισμός της τάσης εξόδου μπορεί να γίνει ακόμα με τη ρυθμιζόμενη παροχή ρεύματος. Αυτή η τάση U0 σημειώνεται. Στη συνέχεια, πάρτε την κυψελίδα που περιέχει το προς εξέταση υγρό και τοποθετήστε την στο φωτόμετρο. Σε αυτό το σημείο η τάση του τροφοδοτικού και η θέση του περιστροφικού διακόπτη πρέπει να παραμείνουν αμετάβλητες! Στη συνέχεια, καλύψτε ξανά την κυψελίδα με το καπάκι και μετρήστε την τάση U. Για τη μετάδοση Τ σε ποσοστό η τιμή είναι T = U / U0 * 100. Για να πάρετε τον συντελεστή απορρόφησης A απλά πρέπει να υπολογίσετε A = 100 - T.

Αγόρασα τα διαφορετικά χρώματα LED από την Roithner Lasertechnik που βρίσκεται στην Αυστρία, τη χώρα μου. Για αυτά, το αντίστοιχο μήκος κύματος δίνεται σε νανόμετρα. Για να είστε πραγματικά σίγουροι, μπορείτε να ελέγξετε το κυρίαρχο μήκος κύματος με ένα φασματοσκόπιο και το λογισμικό Theremino (φασματόμετρο theremino). Στην περίπτωσή μου, τα δεδομένα σε nm συμφωνούσαν με τις μετρήσεις αρκετά καλά. Κατά την επιλογή των LED, θα πρέπει να επιτύχετε την ομοιόμορφη κάλυψη του μήκους κύματος από 395 nm έως 850 nm.

Για το πρώτο πείραμα με το φωτόμετρο επέλεξα τη χλωροφύλλη. Αλλά για αυτό θα πρέπει να μαζέψετε γρασίδι από ένα λιβάδι ελπίζοντας ότι κανείς δεν σας παρακολουθεί…

Αυτό το γρασίδι στη συνέχεια κόβεται σε μικρά κομμάτια και τοποθετείται μαζί με προπανόλη ή αιθανόλη σε μια κατσαρόλα. Τώρα συνθλίβετε τα φύλλα με ένα γουδί ή ένα πιρούνι. Μετά από λίγα λεπτά, η χλωροφύλλη διαλύθηκε καλά στην προπανόλη. Αυτή η λύση είναι ακόμα πολύ ισχυρή. Πρέπει να αραιωθεί με αρκετή προπανόλη. Και για να αποφευχθεί τυχόν αιώρηση, το διάλυμα πρέπει να φιλτραριστεί. Πήρα ένα κοινό φίλτρο καφέ.

Το αποτέλεσμα πρέπει να μοιάζει με αυτό που φαίνεται στην εικόνα. Ένα πολύ διαφανές πράσινο-κιτρινωπό διάλυμα. Στη συνέχεια, επαναλαμβάνετε τη μέτρηση (U0, U) με κάθε LED. Όπως φαίνεται από την ληφθείσα καμπύλη απορρόφησης, η θεωρία και η μέτρηση συμφωνούν αρκετά καλά. Η χλωροφύλλη a + b απορροφάται πολύ έντονα στο μπλε και κόκκινο φασματικό εύρος, ενώ το πράσινο-κίτρινο και το υπέρυθρο φως μπορούν να διεισδύσουν στο διάλυμα σχεδόν ανεμπόδιστα. Στην περιοχή υπέρυθρων, η απορρόφηση είναι ακόμη κοντά στο μηδέν.

Βήμα 4: Δεύτερο πείραμα: Η εξάρτηση της εξαφάνισης από τη συγκέντρωση υπερμαγγανικού καλίου

Ως ένα περαιτέρω πείραμα, ο προσδιορισμός της εξαφάνισης ανάλογα με τη συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας προσφέρει. Ως διαλυμένη ουσία, χρησιμοποιώ υπερμαγγανικό κάλιο. Η ένταση του φωτός μετά τη διείσδυση στο διάλυμα ακολουθεί τον νόμο Lambert-Beer: Διαβάζει I = I0 * 10 ^ (- E). I0 είναι η ένταση χωρίς διαλυμένη ουσία, εγώ η ένταση με τη διαλυμένη ουσία και Ε η λεγόμενη εξαφάνιση. Αυτή η εξαφάνιση Ε εξαρτάται (γραμμικά) από το πάχος x της κυψελίδας και από τη συγκέντρωση c της διαλυμένης ουσίας. Έτσι, E = k * c * x με k ως μοριακό συντελεστή απορρόφησης. Για να προσδιορίσετε την εξαφάνιση E χρειάζεστε μόνο I και I0, επειδή E = lg (I0 / I). Όταν η ένταση μειωθεί, για παράδειγμα, στο 10%, η εξαφάνιση Ε = 1 (10 ^ -1). Με αποδυνάμωση μόνο στο 1%, Ε = 2 (10 ^ -2).

Αν κάποιος εφαρμόσει το Ε ως συνάρτηση της συγκέντρωσης c, θα περιμέναμε να λάβουμε μια ανερχόμενη ευθεία μέσω του μηδενικού σημείου.

Όπως μπορείτε να δείτε από την καμπύλη εξαφάνισης, δεν είναι γραμμική. Σε υψηλότερες συγκεντρώσεις, ισοπεδώνεται, συγκεκριμένα από συγκεντρώσεις μεγαλύτερες από 0,25. Αυτό σημαίνει ότι η εξαφάνιση είναι χαμηλότερη από την αναμενόμενη σύμφωνα με τον νόμο Lambert-Beer. Ωστόσο, λαμβάνοντας υπόψη μόνο χαμηλότερες συγκεντρώσεις, για παράδειγμα μεταξύ 0 και 0,25, οδηγεί σε μια πολύ ωραία γραμμική σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης c και της εξαφάνισης Ε. Σε αυτό το εύρος, η άγνωστη συγκέντρωση c μπορεί να προσδιοριστεί από τη μετρηθείσα εξαφάνιση Ε. Στην περίπτωσή μου, η συγκέντρωση έχει μόνο αυθαίρετες μονάδες, αφού δεν έχω καθορίσει την αρχική ποσότητα διαλυμένου υπερμαγγανικού καλίου (ήταν μόνο χιλιοστόγραμμα, το οποίο δεν μπορούσε να μετρηθεί με την κλίμακα της κουζίνας στην περίπτωσή μου, διαλυμένο σε 4 ml νερό για την έναρξη λύση).

Βήμα 5: Συμπεράσματα

Αυτό το φωτόμετρο είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για μαθήματα φυσικής και χημείας. Το συνολικό κόστος είναι μόνο περίπου 60 Ευρώ = 70 USD. Τα διαφορετικά χρώματα LED είναι το πιο ακριβό μέρος. Στο ebay ή το aliexpress σίγουρα θα βρείτε φθηνότερα LED αλλά συνήθως δεν γνωρίζετε ποια μήκη κύματος έχουν τα LED. Με αυτόν τον τρόπο, συνιστάται η αγορά από έναν ειδικό λιανοπωλητή.

Σε αυτό το μάθημα μαθαίνετε κάτι για τη σχέση μεταξύ του χρώματος των υγρών και της απορρόφησης-συμπεριφοράς τους, για τη σημαντική χλωροφύλλη, τον νόμο Lambert-Beer, τους εκθετικούς παράγοντες, τη μετάδοση και την απορρόφηση, τον υπολογισμό των ποσοστών και τα μήκη κύματος των ορατών χρωμάτων. Νομίζω ότι αυτό είναι πολύ…

Διασκεδάστε, επίσης, κάνοντας αυτό το έργο στο μάθημά σας και την Εύρηκα!

Τελευταίο αλλά όχι λιγότερο σημαντικό θα ήμουν πολύ χαρούμενος αν μπορούσατε να με ψηφίσετε στο διαγωνισμό της τάξης-επιστήμης. Ευχαριστώ γι'αυτό…

Και αν ενδιαφέρεστε για περαιτέρω πειράματα φυσικής, εδώ είναι το κανάλι μου στο youtube:

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

περισσότερα έργα φυσικής: