Photometer mit Arduino

[Christoph E. (stoppi)]

Hallo!

Aktuell versuche ich gerade ein einfaches Photometer zu basteln. Als 
Lichtsensor kommt eine BPW34 Photodiode zum Einsatz, deren Photostrom 
mittels OPV LF356 in eine proportionale Spannung umgewandelt wird. Die 
Verstärkung ist per Drehschalter zwischen 100-fach und 10^7-fach 
einstellbar. Für die negative Spannung des LF356 kommt ein ICL7660 zum 
Einsatz.

Die Ausgangsspannung wird von einem Arduino Nano eingelesen und auf 
einem 16x display ausgegeben. Der Aufbau ist soweit fertig. Jetzt warte 
ich nur noch auf den Drehschalter und einige Chemikalien zur Ermittlung 
von Absorptionsspektren bzw. der (linearen) Abhängigkeit des 
Absorptionskoeffizienten von der Kontentration der absorbierenden 
Substanz.

[J. S. (pbr85)]

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?

[Christoph E. (stoppi)]

Hallo!

Ja, die LED war nur zu Testzwecken bzgl. Lochdurchmesser in Verwendung. 
Habe gerade die richtigen LED's mit Vorwiderständen versehen. Insgesamt 
7 Stück von UV bis IR. Da müsste man schon eine einigermaßen 
aussagekräftige Absorptionskurve erhalten...

[L. I. (lcl)]

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

[Michael B. (laberkopp)]

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

Supply voltage, VS V
       min    max
LF15x  ±15 VS ±20
LF25x  ±15 VS ±20
LF356B ±15 VS ±20
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.

[Jens G. (jensig)]

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 ...

[M.A. S. (mse2)]

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?

[Ralph S. (jjflash)]

... 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.

[Ralph S. (jjflash)]

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.

[Christoph E. (stoppi)]

Hallo!

Danke für die Anmerkungen. Der LF356 und ICL7660 sind einfach zigfach 
vorhanden. Da gibt es bestimmt bessere Vertreter aber im Moment 
funktioniert es eigentlich auch schon recht gut. Habe noch zwischen LED 
und Küvette einen Distanzzylinder angebracht, damit möglichst viel Licht 
die Küvette mittig trifft...

Mir ist bewusst, dass die Empfindlichkeit der Photodiode von der 
Wellenlänge abhängt. Deshalb muss ich bei Verwendung einer neuen LED 
immer eine Referenzmessung nur mit reinem Wasser machen. Dies liefert 
mir dann das I0. Die LED's strahlen ja auch unterschiedlich stark ab bei 
gleicher Stromstärke.

Was ich noch machen könnte wäre bei Tastendruck z.B. die Werte für I0 
und I einlesen und dann den Transmissionsfaktor T bzw. Absorptionsfaktor 
berechnen und am display anzeigen. So muss ich halt alles mit dem 
Taschenrechner machen. Aber das Photometer ist für eine Einheit meiner 
Physikolympiade gedacht. Von daher passt es ganz gut, wenn meine Schüler 
einiges rechnen/logarithmieren müssen...

Habe gerade Blätter gekocht um das Chlorophyll zu extrahieren. Werde 
dann einmal in den nächsten Tagen mit den 7 LED's eine Absorptionskurve 
aufnehmen.

Zur Messung einer kontinuierlichen Absorptionskurve verwende ich mein 
Webcam-Spektrometer (https://www.youtube.com/watch?v=TPB1djiq0lI). 
Einmal Erfassung der Intensitäten mit Flüssigkeit oder Filter dividiert 
durch die Intensitäten ohne Flüssigkeit/Filter.

[Christoph E. (stoppi)]

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...

[Zeno (Gast)]

Michael B. schrieb:
> ... dem der LM356 laut Datenblatt ...

Klemmt die F-Taste?

[Zeno (Gast)]

Ralph S. schrieb:
> 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.

Könnte man mit 2 gleichartigen Küvetten lösen, wobei die Referenz keine 
Probenflüssigkeit enthält.

[Zeno (Gast)]

Grad gelesen das der TO erst mal mit Wasser kalibriert - wäre dann das 
Selbe wie ne Referenzküvette.

[Wolfgang (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> Die Verstärkung ist per Drehschalter zwischen 100-fach und 10^7-fach
> einstellbar.

Das ist keine sonderlich gut Idee. Bei so hohen DC Verstärkungen kämpfst 
du nur mit Falschlicht und Verstärkeroffset.

Wenn du dir einen Gefallen tun willst, verwendest du gepulstes Licht, 
einen Verstärker mit Bandpaßcharakteristik und schickst das Signal dann 
auf einen Synchrongleichrichter mit Tiefpass dahinter. Außerdem solltest 
du grundsätzlich so hohe Absorptionswerte in der Messung vermeiden. 
Möglichkeiten dazu sind Küvetten mit unterschiedlich langem Lichtweg und 
Verdünnung der Proben.

[Werner H. (werner45)]

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)

[Jens G. (jensig)]

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?

[Werner H. (werner45)]

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

Gruß   -   Werner

[Christoph E. (stoppi)]

Danke Werner für deine Hinweise und Tipps!

Planparallele Platten ergeben durch die Lichtbrechung nur eine 
Parallelverschiebung der Strahlen. Wenn sich allerdings auf beiden 
Seiten jeweils ein Medium mit unterschiedlicher Brechzahl n befindet, so 
kann man (wenn sie dünn ist) die Glasplatte vernachlässigen und nur die 
Brechung zum Lot durch das Wasser berücksichtigen. Wie man an den 
Abbildungen sieht, wird die Photodiode von den LED's (noch ohne Linse) 
schon recht gut ausgeleuchtet.

Ich habe nun einmal die verschiedenfärbigen LED's ausprobiert und 
erhalte bei einer Verstärkung von 10^5 stabile Ausgangsspannungen im 
Bereich von 0.5 bis 4.5V bei LED-Stromstärken von nicht einmal 10mA. Bei 
Verwendung der IR-LED muss ich mit der Stromstärke noch weiter runter, 
damit mir die PD-Spannung nicht durch die Decke geht. Bei der UV-LED 
sind die Ausgangsspannungen wie zu erwarten war am geringsten. Aber die 
Küvette lässt schon einmal 405nm des Bluray-Laserpointers ohne deutliche 
Abschwächung durch. Das würde also schon einmal alles gut passen. Mehr 
dann morgen...

[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.

[Jens G. (jensig)]

>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

[J. S. (pbr85)]

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.

[Wolfgang (Gast)]

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

Aceton

[Christoph E. (stoppi)]

Mir ist schon klar, dass man beim Strom-Spannungswandler streng genommen 
nicht von einer Verstärkung sprechen kann...

Danke für den Tipp mit dem Aceton, darauf bin ich im Internet auch schon 
gestolpert.

So, habe nun ein erstes Absorptionsspektrum von Chlorophyll (oder was 
auch immer da grün schimmert) aufgenommen.

Bei kleinen Wellenlängen ist die Absorption wie zu erwarten war sehr 
hoch. Im Infraroten (850nm) auch wie zu erwarten war sehr gering. Nur 
dazwischen (grün-gelb-orange-rot) passen die Werte nicht so ganz.

Kann natülich sein, dass noch zu viele Schwebstoffe in der Flüssigkeit 
waren und dadurch die Streuung selbst im grünen Spektralbereich zu stark 
ausgefallen ist. Habe nämlich die grüne Flüssigkeit mit einer Spritze 
absaugen müssen, da sich ein dicker Bodensatz gebildet hat.

Was sagt ihr dazu?

P.S.: Während der Messungen war die Box natürlich verschlossen inkl. 
Deckel. Die Photos sind also nicht während der Messungen gemacht 
worden...

[Sven B. (scummos)]

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.

[Helmut -. (dc3yc)]

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 (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> Mir ist schon klar, dass man beim Strom-Spannungswandler streng genommen
> nicht von einer Verstärkung sprechen kann...

Das hat nichts mit "streng genommen" zu tun. Eine Verstärkung ist und 
bleibt eine dimensionslose Größe.
Oder meinst du, dass deine "Verstärkung" plötzlich um einen Faktor 10^6 
sinkt, nur weil du den Strom in µA misst?

> Kann natülich sein, dass noch zu viele Schwebstoffe in der Flüssigkeit
> waren und dadurch die Streuung selbst im grünen Spektralbereich zu stark
> ausgefallen ist. Habe nämlich die grüne Flüssigkeit mit einer Spritze
> absaugen müssen, da sich ein dicker Bodensatz gebildet hat.

Du solltest deine Probe vorher durch einen Nuclepore Filter geben, um 
Streuer aus der Lösung zu entfernen.

[J. S. (pbr85)]

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. (stoppi)]

>Oder meinst du, dass deine "Verstärkung" plötzlich um einen Faktor 10^6
>sinkt, nur weil du den Strom in µA misst?

Wenn ich den Strom in µA angebe erhalte ich bei meinen als Verstärkung 
genannten Proportionalitätsfaktor natürlich auch µV, aber z.B. 10^5-mal 
mehr...

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

[J. S. (pbr85)]

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.

[Harald W. (wilhelms)]

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!

[Wolfgang (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> Wenn ich den Strom in µA angebe erhalte ich bei meinen als Verstärkung
> genannten Proportionalitätsfaktor natürlich auch µV

Bestimmt nicht. Bei deinem "Verstärkungsfaktor" steht weder was von 
(µ)Volt noch von (µ)A. Hier eine dimensionslose Zahl anzugeben, ist 
schlicht und einfach Unfug. Wie willst du ohne Konvertierungsfaktor vom 
Strom durch die Photodiode auf die Spannung am Ausgang kommen, so 
rein rechnerisch?
Du vergleichst Äpfel mit Birnen.

[J. S. (pbr85)]

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.

[Sven B. (scummos)]

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.

[U. M. (oeletronika)]

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. (stoppi)]

Ich darf doch bitten, bin strikter Antialkoholiker (mein letztes Bier 
habe ich glaube ich als 16-jähriger getrunken, aber das reichlich wenn 
ich mich recht entsinne)...

Ich habe es nun mit Propanol ausprobiert, geht eingentlich nicht so 
schlecht. Ich habe nur im Moment noch sehr viele Schwebstoffe in der 
Flüssigkeit, die sich erst absetzen müssen bzw. die ich erst filtern 
muss. UV wird aber sehr deutlich absorbiert (fluoresziert ähnlich schön 
wie Fluorescein). Im Moment wird aber auch Grün (und Rot) noch zu stark 
gestreut. Da muss ich ein wenig noch warten...

[Christoph E. (stoppi)]

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...

[Christoph E. (stoppi)]

Kleine Änderung: Habe es nun mit einem roten Laserpointer (lambda = 
640nm) und grünen (532nm) probiert. Jetzt würde die "Kurve" schon besser 
passen, wie ich finde...

[J. S. (pbr85)]

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.

[Christoph E. (stoppi)]

So, es gibt (gute) Neuigkeiten. Habe heute einmal das 
Absorptionsspektrum von Chlorophyll mit meinem Webcam-Spektroskop 
aufgenommen. Als Lichtquelle mit einigermaßen kontinuierlichen Spektrum 
kam meine selbstgebaute 100W-Taschenlampe zum Einsatz. Wieder für etwas 
zu gebrauchen gewesen...

Zuerst habe ich die unverdünnte Lösung untersucht und ein eher weniger 
zufriedenstellendes Absorptionsspektrum erhalten. Dann habe ich diese 
Lösung relativ stark mit Propanol noch verdünnt und siehe da, das 
Absorptionsspektrum ist wie erhofft. Es ist sogar der Peak bei 460nm 
verursacht durch das Chlorophyll B zu sehen.

Jetzt weiß ich einmal, dass ich wirklich Chlorophyll extrahiert habe und 
dass ich die Lösung sehr stark verdünnen muss. Als nächstes werde ich 
das Absorptionsspektrum mit den LED's aufnehmen...

[Christoph E. (stoppi)]

Habe nun neuerlich die Absorptionskurve mit den 7 LED's bestimmt. Die 
Probe mit dem Chlorophyll habe ich noch weiter verdünnt. Jetzt stimmt 
die Kurve schon etwas besser. Nur die Absorption von rot ist noch zu 
gering. Dies kann aber auch daran liegen, dass der zweite große peak 
erst bei 660nm liegt und meine rote, glasklare LED vielleicht primär bei 
640nm strahlt.

Weil mir das aber keine Ruhe gelassen hat, habe ich es noch mit 3 
diffusen LED's in Grün, Gelb und Rot probiert und da passt jetzt die 
Kurve schon sehr gut...

[Sven B. (scummos)]

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

[Christoph E. (stoppi)]

Heute sind die LEDs von Roithner Lasertechnik aus Wien und noch einige 
andere Teile angekommen. Morgen werde ich dann die Spektren bzw. die 
Wellenlängen überprüfen und dann geht es wieder ans Messen der 
Absorptionskurve.

Kaliumpermanganat und Küvetten habe ich übrigens heute auch erhalten. 
Das bedeutet, dass ich auch bald die Extinktionsmessungen durchführen 
kann.

[Christoph E. (stoppi)]

Habe nun die Wellenlängen der gekauften LEDs mit Theremino und meinem 
Webcam-Spektroskop bestimmt. Kalibriert habe ich die Skala wieder mit 
der Energiesparlampe und einem grünen Laserpointer (532nm).

Fazit: Die meisten angegebenen Wellenlängen stimmten mit den Messungen 
überein, bei manchen gab es Abweichungen im Bereich von bis zu 10nm.

Die LED's mit lambda > 700nm konnte ich nicht überprüfen...

[Wolfgang (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> Fazit: Die meisten angegebenen Wellenlängen stimmten mit den Messungen
> überein, bei manchen gab es Abweichungen im Bereich von bis zu 10nm.

Du musst aufpassen, wenn du die Kamera verwendest, ohne die spektrale 
Empfindlichkeit zu kalibieren. Eine LED, die auf einer 
Empfindlichkeitsflanke liegt, kann dann spektral verschoben aussehen.

[Christoph E. (stoppi)]

Habe heute mit den neuen LEDs das Absorptionsspektrum von Chlorophyll 
bestimmt und ich muss sagen, ich bin mit dem Ergebnis mehr als 
zufrieden. Und ich musste nicht einmal die Werte frisieren ;-)

[Christoph E. (stoppi)]

So, gestern konnte ich die Extinktionsmessungen mit Kaliumpermanganat 
machen um einen linearen Zusammenhang zwischen der Extinktion E und der 
Konzentration c zu überprüfen. Ich habe für die Berechnung von E den 
10er Logarithmus genommen, also E = lg(Io/I).

Wie man an dem Graphen erkennt, ist der Verlauf nicht überall linear. 
Bei Konzentrationen > 0.25 (willkürliche Einheiten, da ich die Menge an 
gelösten Kaliumpermanganat mit meiner Küchenwaage nicht messen konnte) 
flacht die Kurve zusehends ab. Betrachtet man aber Konzentrationen <= 
0.25, so erhält man einen schön linearen Zusammenhang. In diesem Bereich 
kann also sehr gut aus der gemessenen Extinktion E die Konzentration c 
berechnet werden.

Die Messungen erfolgten mit einer grünen LED (lambda = 525 nm).

Damit ist dieses Projekt eigentlich auch (erfolgreich) beendet... :)

[Christoph E. (stoppi)]

Zum Abschluss noch der Link zum Video: 
https://www.youtube.com/watch?v=SoVuUctSyBE

[Werner H. (werner45)]

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

[Christoph E. (stoppi)]

Danke Werner!

Mit dem Photometer von AATiS 
(https://www.aatis.de/content/bausatz/AS535_Foto%C2%ADmeter) wurden 
ähnliche Extinktionskurven erzielt, die bei höheren Konzentrationen auch 
abflachen. Ehrlich gesagt kann ich sehr gut damit leben. Zwischen LED 
und Küvette habe ich einen Zylinder eingebaut. Dessen Innendurchmesser 
ist natürlich geringer als die Küvettenbreite...