Photometer mit Arduino

Habe mir auch vor einiger Zeit mal ein Fotometer gebaut, jedoch ohne 
Arduino oder so. Nur ein OPV mit einer 640nm-LED die per KSQ 10mA 
bekommt und eine SFH203P Fotodiode. Um die Konzentration von Algen aus 
einem Algenreaktor zu messen, die bei 640nm wunderbar absorbieren.

Was ich jedoch nicht nachvollziehen kann, ist, wieso du eine sehr 
Lichtschwache diffuse LED verwenden willst? Damit wirst du wohl nur sehr 
geringe Konzentrationen deines absorbierenden Farbstoffes messen können, 
weil die LED nicht genug Lichtleistung hat bzw. das meiste Licht sowieso 
gar nicht Richtung Fotodiode geschickt wird. Oder ist die LED dort nur 
exemplarisch und wird getauscht?

Interessantes Projekt!
Aber bekommst du nicht einiges an Streulicht von den roten LEDs auf dem 
Arduino und der Rückseite vom LCD?
Und du müsstest pro Wellenlänge noch irgendwie die Dämpfung durch die 
Küvette rausrechnen, oder? Das könnte man ja vielleicht im Arduino 
statisch ablegen

Christoph E. schrieb:
> Aktuell versuche ich gerade ein einfaches Photometer zu basteln.

Als Messgerät kaum tauglich.

LEDs liefern keineswegs immer gleich viel Licht,
sondern abhängig von Temperatur und Alterung.

Man müsste zumindest das Originallicht und das durch die Küvette im 
Verhältnis erfassen.

Auch ist der Strom der BPW34 selbst temperaturabhängig, Temperature 
coefficient of Ik, bei jedem Kelvin ein count des Arduino-A/D-Wandlers.

Den ICL7660 hätte man sich in der Schaltung sparen können mit einem 
single supply OpAmp dessen Ausgang mit einem Widerstand nach Masse 
gezogen wird.

Witzig ist der Spannungsbereich in dem der LM356 laut Datenblatt seine 
Daten einhält:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lf356.pdf

1

Supply voltage, VS V

2

       min    max

3

LF15x  ±15 VS ±20

4

LF25x  ±15 VS ±20

5

LF356B ±15 VS ±20

6

LF35x         ±15

Ich befürchte, das ist ein Layoutfehler, für den LF35x wird dasselbe 
gelten wie für 15x und 25x, also nicht für +/-9V tauglich.
mit 30pA Eingangsstrom und 10mV Offsetspannung eh nicht so besonders 
passend, obwohl das eine Grössenordnung vom Dunkelstrom der BPW entfernt 
liegt.

Also: Kann man bauen, ist aber der Stand von 1977.

Michael B. (laberkopp) schrieb:

>Christoph E. schrieb:
>> Aktuell versuche ich gerade ein einfaches Photometer zu basteln.

>Als Messgerät kaum tauglich.

>LEDs liefern keineswegs immer gleich viel Licht,
>sondern abhängig von Temperatur und Alterung.
>...
Auch ist der Strom der BPW34 selbst temperaturabhängig, Temperature
coefficient of Ik, bei jedem Kelvin ein count des Arduino-A/D-Wandlers.
>... usw. ...

Was ist denn am Begriff "einfaches Photometer" denn so unverständlich?

Aber bezüglich LM356 gebe ich Dir schon recht - warum müssen es immer 
die ersten Exemplare der OPV-Ära sein ...

Christoph E. schrieb:
> Aktuell versuche ich gerade ein einfaches Photometer zu basteln.

Finde ich schön, was Du da machst, ich hoffe, Du veröffentlichs hier ein 
paar Ergebnisse, wenn es soweit ist.

Würde ich so ein Projekt angehen, täte ich versuchen, ratiometrisch zu 
messen. Die Empfindlichkeit des Phototransistors ist sehr von der 
Wellenlänge abhängig, daher würde ich zwei Empfänger vorsehen. Der eine 
sieht den Strahl, der durch die Probe geht, der andere eine Strahl, der 
durch den Luftraum über den Probe geht. Das Messergebnis dessen, der den 
Luftweg misst, könnte man als Referenz verwenden, (am besten wenn 
möglich gleich dem AD-Wandler zuführen).

Ist evtl. später eine Erweiterung geplant, bei der ein Gitter zur 
Anwendung kommt, um ein kontinuierliches Spektrum aufnehmen zhu können?

... so etwas ähnliches war einmal ein Gemeinschaftsprojekt der 
Auszubildenden im Bereich Physiklaborant und EGS...

... und von der ersten Überlegung wie "einfach" das eigentlich ist bis 
zu einem ersten (schlechten) Resultat verging einige Zeit.

Die zu benutzende Küvette sollte zwingend NICHT selbstgebastelt sein, 
beim UV Bereich schluckt herkömliches Plexiglas derart viel, dass vom 
ausgesendeten Licht bald nichts mehr an der Photodiode ankommt.

Daher wurde eine Küvette eines "echten" Photometerherstellers verwendet 
und der Schacht dementsprechend gestaltet.

Weiters hatte sich herausgestellt gehabt, dass, egal wie präzise der 
Schacht für die Küvette auch war, immer irgendwelches Fremdlicht 
eingespeist wurde.

Am Ende lief es darauf hinaus, dass eine Halogenbirne mit 400 Hz 
betrieben wurde und das Signal das die Photodiode lieferte durch einen 
400Hz Filter ging (Sender und Filter analog).

Anmerkung: Ein Physikauszubildender meinte, das eine Deuteriumbirne 
super wäre, die Verwaltung meinte, dass der Preis für eine solchige 
Lampe auch super ist.

Operationsverstärker waren INA128 (relativ preiswerte 
Instrumentenverstärker).

Zwischen Lichtquelle und Küvette gab es einen Einsatz für 
unterschiedliche Monochromatorfilter (aus einem defekten und 
ausgesonderten Photometer).

Vor jeder Messung mußte das Ding kalibriert werden.

Als Lernprojekt war es super, vor allem die Erkenntnis, warum kaufbare 
Geräte so teuer (und so vieles besser) sind.

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Ich finde dein Projekt gut dass du dich da ran traust, vielleicht hast 
du ja ein paar Anregungen meinem Post entnommen, wie du dein Photometer 
verbessern kannst, speziell über die Operationsverstärker würde ich 
nachdenken. Als Tip hier kann ich dir geben: verwende keine Schaltung 
die dir die negative Spannung erzeugt. Für den Anfang ist es vielleicht 
ratsam die beste +- Spannungsversorgung (was Restwelligkeit angeht) zu 
nehmen die es gibt: 2 Stück 9V Block Batterien / Akkus nur für die OPV 
(ansonsten fängst du dir Rauschen, Brummen und Peaks ein, die du nicht 
magst). Wenn dein Signal dann mal gut auswertbar ist, kannst du dir über 
die Spannungsversorgung immer noch Gedanken machen.

Zwingend, absolut überzwingend die analoge Masse von der Controllermasse 
seperat führen.

Edit:

weil ich mir deine Schaltung genauer angesehen habe: 10M und 1M im 
Gegenkopplungszweig eines Operationsverstärkers ist (vor allen Dingen 
wie bei dir auf einer Lochrasterkarte) absoluter Hardcore. Das wird vor 
allem mit einem LF356 Schwingen und Rauschen wie blöd und dieser 
Messbereich ist dann absolut nicht zu gebrauchen.

Du baust also ein Einstrahl-Photometer, das funktioniert schon. Die 
billigsten kommerziellen Photometer sind auch Einstrahler. Zweistrahler 
bedeuten erhöhten optischen Aufwand, deshalb sind sie teurer.
Du kannst die Empfindlichkeit GEWALTIG erhöhen, wenn Du eine Linse mit 
geringer Brennweite anbringst. Damit wird dann die Ledkathode direkt auf 
die Fotodiode abgebildet, was maximale Intensität bringt. Eine normale 
Linse (Webcam) genügt völlig, da Du noch nicht im UV bist.
Eine Spaltblende vor der Küvette ist auch noch nötig, um den Lichtweg 
über die Küvettenkanten zu verhindern.

Gruß   -   Werner (ex Photometer-Servicemann)

Werner H. (werner45) schrieb:

>Du kannst die Empfindlichkeit GEWALTIG erhöhen, wenn Du eine Linse mit
>geringer Brennweite anbringst. Damit wird dann die Ledkathode direkt auf
>die Fotodiode abgebildet, was maximale Intensität bringt. Eine normale
>Linse (Webcam) genügt völlig, da Du noch nicht im UV bist.

Allerdings darf man sich doch sicherlich keinerlei Ungenauigkeiten bei 
den Geometrien leisten, wo das Licht durch muß. Also, wenn die optischen 
Übergänge nicht genau senkrecht zum Lichtstrahl liegen, dann landet der 
Fokus irgendwo neben der PD. Oder irre ich mich da?

Kein Problem, das Bild kann man gut sehen. Probiere es mal mit einer Led 
und einer Lupe aus.

Gruß   -   Werner

>Wolfgang (Gast)

>Christoph E. schrieb:
>> Verstärkung von 10^5
>
>Das, von dem du da redest, ist keine (dimensionslose) Verstärkung,
>sondern der Konversionsfaktor eines Strom-Spannungs-Wandlers mit der
>Dimension Spannung/Strom, also z.B. V/A.

Sollte man aber trotzdem nicht unterschätzen. Z.B. Störempfindlichkeit, 
Biasstöme, Rauschen, Bandbreite

Christoph E. schrieb:
> Nachdem die gekochten Blätter eine eher ins gelbliche gehende Färbung
> hinterließen, habe ich nun Blätter in Nitroverdünnung gelöst. Natürlich
> in einem Küchentopf ;-)
>
> Jetzt sieht die Lösung schon deutlich grüner aus. Bin schon gespannt auf
> das Absorptionsspektrum...

Ethanol funktioniert prima für Chlorophyll.

Hmm, sorry, also so richtig zweifelsfrei erkennbar finde ich die 
Korrelation zwischen erwartetem und gemessenem Ergebnis nicht ...

Ich bin mir auch nicht sicher, ob ich die Methode mit den wechselbaren 
LEDs messtechnisch so genial finde. Klar, der Vorteil ist, dass es 
extrem Low-Tech ist; aber es hat doch einige gravierende Nachteile. Du 
kriegst sehr sehr wenige Messpunkte, die Lichtquellen haben alle 
verschiedene spektrale Breiten, Strahlprofile und Helligkeiten, man muss 
für jede Messung fünfmal tauschen und kalibrieren ...

Evtl. wäre hier ein simples klassisches Spektrometer mit CD-Stück als 
Gitter und Webcam deutlich besser geeignet.

Eine andere Möglichkeit wäre, einen Monochromator vor das Gerät zu 
bauen, also Halogenlampe -> Gitter -> Spalt und dann das Gitter drehen. 
Dann hast du zumindest ordentlich schmalbandiges Messlicht und kannst 
auch ein paar mehr Punkte aufnehmen.

Falls dich ein anderer Selbstbau eines Photometers interessiert: der 
AATIS hat sowas vor ein paar Jahren veröffentlicht, damit Schulen das 
Projekt nachbauen können. Siehe hier: 
https://www.aatis.de/content/praxisheft-25
Es gibt auch Bausätze für kleines Geld.

Wolfgang schrieb:
> J. S. schrieb:
>> Ethanol funktioniert prima für Chlorophyll.
>
> Aceton

Nein, Ethanol. Ist das Standardlösungsmittel für Chlorophyll. Aceton ist 
hier wie mit Kanonen auf Spatzen zu schießen und löst mit Sicherheit 
noch einiges andere raus, und was noch wichtiger ist, die Küvette aus 
Polystyrol würde beim Messen gleich mit aufgelöst werden. Erst trübe 
danach weich und dann nachgeben.

Christoph E. schrieb:

> Eine Frage: Kann ich statt Ethanol auch Isopropanol verwenden? Das hätte
> ich schon da (war bei meiner Nebelkammer im Einsatz)...

Funktioniert schon deutlich schlechter, wenn überhaupt.

Christoph E. schrieb:

> Eine Frage: Kann ich statt Ethanol auch Isopropanol verwenden? Das hätte
> ich schon da (war bei meiner Nebelkammer im Einsatz)...

Nun sei doch nicht so sparsam mit Deiner Schnapspulle im Schreibtisch!

J. S. schrieb:
> Christoph E. schrieb:
>
>> Eine Frage: Kann ich statt Ethanol auch Isopropanol verwenden? Das hätte
>> ich schon da (war bei meiner Nebelkammer im Einsatz)...
>
> Funktioniert schon deutlich schlechter, wenn überhaupt. Ist schon eine Ecke 
unpolarer als Ethanol.

Lange Rede kurzer Sinn, der Verstärkungsfaktor muss die Einheit "V/A" 
bzw. "Ohm" haben ... aber so wahnsinnig zentral ist das nun auch wieder 
nicht. Davon misst das Gerät nicht besser.

Hallo,
> Wolfgang schrieb:
> Das ist keine sonderlich gut Idee. Bei so hohen DC Verstärkungen kämpfst
> du nur mit Falschlicht und Verstärkeroffset.
das würde ich auch so sehen.

> Wenn du dir einen Gefallen tun willst, verwendest du gepulstes Licht,
Bei Verwendung eine uC zur Auswertung auch kein Problem.
Da ist es doch nicht schwer, einen LED-Takt von z.B. 1kHz auszugeben.
Dafür kann man auch gut einen einfachen Bandpaß machen.

> einen Verstärker mit Bandpaßcharakteristik und schickst das Signal dann
> auf einen Synchrongleichrichter mit Tiefpass dahinter.
Wäre eine Lösung für rein analoge Technik.
Aber in Verbindung mit einem uC eher eine sinnlose Umständlichkeit.
Da rechnet man einfach das "Lichtsignal" ein, welches sich aus der 
Differenz von "Hellsignal" - "Dunkelsignal" ergibt.

> Außerdem solltest
> du grundsätzlich so hohe Absorptionswerte in der Messung vermeiden.
> Möglichkeiten dazu sind Küvetten mit unterschiedlich langem Lichtweg und
> Verdünnung der Proben.
Das sehe ich auch so. Eine solche Transmissionsmessung mit einem 
Amplitudenbereich über mehr als 6 Größenordnungen wird mit 
Bastlermethoden wohl keine halbwegs genaue Messung mehr.
Da ist die Verdünnung der Proben eine bessere Methode.

Um eine höhere Auflösung der Messung ohne Umschaltung zu bekommen, 
empfehle ich das gepulste Meßlicht über 2 parallele Verstärkerkanäle zu 
schicken, die jeweils unterschiedliche Verstärkung habe z.B. 1-fach, 
50-fach.
So bekommt man mit einem 10Bit-ADC schon ca. 50.000 Digit.

Wenn das Messignal etwas rauscht, hat das sogar Vorteile. Dann kann man 
rein durch Mittelwertbildung eine noch höhere Auflöung bekommen, als der 
ADC zuläßt. Mit einem 10-Bit-ADC sind dann auch Auflösungen von weniger 
als 0,1 Digit drin.
Heutige uC haben oft schon einen integrierten Muxer, so dass mehrere 
analoge Eingangskanäle zur Verfügung stehen. Ein externer analog-Muxer 
ist aber auch kein großes Problem
Da wäre es also angesagt, über einen kleinen Teilerspiegel eine 
Monitorkanal zur Kompensation der genannten Drifteffekte zu spendieren.
Als Spiegel reicht im sichtbaren Bereich eine normale Glasscheibe, deren 
Oberflächenreflexe mit ca. 5...8% des Sendelichtes ausreichen.
Für die unterschiedlichen LED muß eh jedesmal eine neue Kalibrierung 
bzw.
eine Normierung gemacht werden.
Gruß Öletronika

Christoph E. schrieb:
> So, habe nun die Flüssigkeit mehrmals gefiltert. Jetzt ist sie
> eigentlich ziemlich klar. Die damit erstellte Absorptionskurve sieht
> schon etwas besser aus. Nur die Werte der roten LED passen noch nicht
> ganz...
>
> Die Frage ist natürlich auch, welches Chlorophyll ich nun in der Lösung
> habe, a, b oder a + b. Chlorophyll b absorbiert bei 630nm recht stark,
> fällt dann aber bei 650nm wieder ab. Chlorophyll a absorbiert erst bei
> 670nm stark...

Beide Chlorophylle und sicher auch noch etwas Caratinoide, welche die 
Grünlücke schließen sollen. Die schönen Absorptionskuven nach 
aufwendiger Aufreinigung der jeweiligen Chlorophylle haben wenig mit der 
Realität im Blatt gemein, wie man schon an der Lösung ohne starke 
Lichtstreuung sehen kann. Im Blatt hat man effektiv deutlich größere 
Lichtwege, sodass das Absorptionsspektrum deutlich aufgefüllt wird.

Warum hältst du nicht die LEDs mal vor das Spektrometer? Dann weißt du 
ja, wie die Kurven aussehen.

Du hast warscheinlich ein Streulichtproblem.
Extinktion 2 bedeutet ja 1% Lichtintensität. Dies ist aber schnell mit 
Fremdlicht oder Licht auf Umwegen erreicht (Küvetten-Seitenwand).
Wichtig ist eine Abbildungsoptik für ein gerichtetes Lichtbündel sowie 
eine Blende für die Bündelbegrenzung (kleiner als die Küvette). Der 
Küvettenraum muß außerhalb des Bündels absolut lichtdicht sein (Bauart 
Stülpschachtel).

Gruß - Werner