DIY LED-photometer Na May Arduino para sa Mga Aralin sa Physics o Chemistry: 5 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:13

Kamusta!

Ang mga likido o iba pang mga bagay ay lilitaw na may kulay sapagkat ang mga ito ay sumasalamin o nagpapadala ng ilang mga kulay at pagkatapos ay lunukin (sumipsip) ang iba. Sa tinaguriang photometer, ang mga kulay na iyon (haba ng daluyong) ay maaaring matukoy, na hinihigop ng mga likido. Ang pangunahing prinsipyo ay simple: na may isang LED ng isang tiyak na kulay ka unang lumiwanag sa pamamagitan ng isang cuvette na puno ng tubig o ibang solvent. Sinusukat ng isang photodiode ang papasok na light intensity at binabago ito sa isang proporsyonal na boltahe U0. Ang halagang ito ay nabanggit. Pagkatapos nito, ang isang cuvette na may likidong susuriin ay inilalagay sa sinag na sinag at muling sinusukat ang ilaw na ilaw o boltahe U. Ang paghahatid ng factor sa porsyento ay pagkatapos ay kinakalkula ng T = U / U0 * 100. Upang makuha ang factor ng pagsipsip A kailangan mo lang kalkulahin ang A = 100 minus T.

Ang pagsukat na ito ay paulit-ulit na may iba't ibang mga may kulay na LED at tumutukoy sa bawat kaso na T o A bilang isang pagpapaandar ng haba ng daluyong (kulay). Kung gagawin mo ito sa sapat na mga LED, nakakakuha ka ng curve ng pagsipsip.

Hakbang 1: Ang Mga Bahagi

Para sa photometer kailangan mo ang mga sumusunod na bahagi:

* Isang itim na kaso na may sukat na 160 x 100 x 70 mm o katulad: pabahay

* Isang Arduino Nano: ebay arduino nano

* Isang pagpapatakbo na amplifier LF356: ebay LF356

* 3 capacitor na may kapasidad na 10μF: ebay capacitors

* 2 capacitor na may C = 100nF at isang capacitor na may 1nF: ebay capacitors

* Isang boltahe inverter ICL7660: ebay ICL7660

* Isang photodiode BPW34: ebay BPW34 photodiode

* 6 na resistors na may 100, 1k, 10k, 100k, 1M at 10M ohms: ebay resistors

* isang I²C 16x2 display: ebay 16x2 display

* isang 2x6 rotary switch: rotary switch

* isang may hawak ng baterya na 9V at isang baterya ng 9V: may hawak ng baterya

* isang switch: switch

* Mga cuvett na salamin: ebay cuvettes

* Mga LED na may iba't ibang kulay: f.e. ebay LEDs

* isang simpleng 0-15V power supply upang mapagana ang mga LED

* kahoy para sa may-hawak ng cuvette

Hakbang 2: Ang Circuit at ang Arduino-code

Ang circuit para sa photometer ay napaka-simple. Binubuo ito ng isang photodiode, isang pagpapatakbo na amplifier, isang boltahe-inverter at ilang iba pang mga bahagi (resistors, switch, capacitors). Ang prinsipyo ng ganitong uri ng circuit ay upang i-convert ang (mababang) kasalukuyang mula sa photodiode sa isang mas mataas na boltahe, na maaaring mabasa ng arduino nano. Ang kadahilanan ng pagpaparami ay natutukoy ng halaga ng risistor sa feedback ng OPA. Upang mas maging kakayahang umangkop kumuha ako ng 6 na magkakaibang resistors, na maaaring mapili gamit ang rotary switch. Ang pinakamababang "pagpapalaki" ay 100, ang pinakamataas na 10 000 000. Lahat ay pinalakas ng isang solong 9V na baterya.

Hakbang 3: Unang Eksperimento: ang Pagsipsip-curve ng Chlorophyll

Para sa pamamaraan ng pagsukat: Ang isang cuvette ay puno ng tubig o ibangtransparent na solvent. Pagkatapos ay inilalagay ito sa photometer. Ang cuvette ay tinatakpan ng isang magaan na takip. Itakda ngayon ang supply ng kuryente para sa LED upang ang isang kasalukuyang mga 10-20mA na dumadaloy sa pamamagitan ng LED. Pagkatapos nito, gamitin ang rotary switch upang piliin ang posisyon kung saan ang output boltahe ng photodiode ay nasa paligid ng 3-4V. Ang pinong pag-tune ng output voltage ay maaari pa ring gawin sa naaayos na supply ng kuryente. Ang boltahe na U0 na ito ay nabanggit. Pagkatapos kunin ang cuvette na naglalaman ng likido upang masuri at ilagay ito sa photometer. Sa puntong ito ang boltahe ng suplay ng kuryente at ang posisyon ng rotary switch ay dapat manatiling hindi nagbabago! Pagkatapos takpan muli ang cuvette ng takip at sukatin ang boltahe U. Para sa paghahatid ng T sa porsyento ang halaga ay T = U / U0 * 100. Upang makuha ang koepisyent na pagsipsip A kailangan mo lamang kalkulahin ang A = 100 - T.

Binili ko ang iba't ibang mga may kulay na LED mula sa Roithner Lasertechnik na matatagpuan sa austria, aking sariling bansa. Para sa mga ito, ang kani-kanilang haba ng daluyong ay ibinibigay sa mga nanometers. Upang matiyak na ang isang tao ay maaaring suriin ang nangingibabaw na haba ng daluyong ng isang spectroscope at ang Theremino software (theremino spectrometer). Sa aking kaso, ang data sa nm ay sumang-ayon sa mga sukat na napakahusay. Kapag pinipili ang mga LED, dapat mong makamit ang pantay na saklaw ng saklaw ng haba ng haba ng haba mula 395nm hanggang 850nm.

Para sa unang eksperimento sa photometer pinili ko ang chlorophyll. Ngunit para dito kakailanganin mong kumuha ng damo mula sa isang parang na umaasa na walang pinapanood sa iyo …

Ang damo na ito ay gupitin sa maliliit na piraso at isama sa propanol o ethanol sa isang palayok. Ngayon ay durugin mo ang mga dahon gamit ang isang lusong o isang tinidor. Pagkalipas ng ilang minuto, ang chlorophyll ay natunaw nang maayos sa propanol. Masyadong malakas pa rin ang solusyon na ito. Kailangan itong dilute ng sapat na propanol. At upang maiwasan ang anumang nasuspinde na solusyon ay dapat na-filter. Kumuha ako ng isang pangkaraniwang filter ng kape.

Ang resulta ay dapat magmukhang tulad ng ipinakita sa larawan. Isang napaka-translucent na berde-madilaw na solusyon. Pagkatapos ay ulitin mo ang pagsukat (U0, U) sa bawat LED. Tulad ng makikita mula sa nakuha na kurba ng pagsipsip, ang teorya at pagsukat ay lubos na sumasang-ayon. Ang Chlorophyll a + b ay sumisipsip ng malakas sa asul at pula na saklaw ng spectral, habang ang berde-dilaw at infrared na ilaw ay maaaring tumagos sa solusyon na halos hindi mapigilan. Sa infrared range, ang pagsipsip ay kahit na malapit sa zero.

Hakbang 4: Pangalawang Eksperimento: ang Pag-asa ng Pagkalipol sa Konsentrasyon ng Potassium Permanganate

Bilang isang karagdagang eksperimento, ang pagpapasiya ng pagkalipol depende sa konsentrasyon ng mga nag-aalok ng solute. Bilang isang solute, gumagamit ako ng potassium permanganate. Ang kasidhian ng ilaw pagkatapos tumagos sa solusyon ay sumusunod sa batas ng Lambert-Beer: Binabasa nito ang I = I0 * 10 ^ (- E). Ang I0 ay ang tindi nang walang solute, ako ang tindi na may solute at E ang tinatawag na pagkalipol. Ang pagkalipol na E na ito ay nakasalalay (linearly) sa kapal ng x ng cuvette at sa konsentrasyon c ng solute. Kaya, E = k * c * x na may k bilang koepisyent ng pagsipsip ng molar. Upang matukoy ang pagkalipol ng E kailangan mo lang ng I at I0, dahil ang E = lg (I0 / I). Kapag ang intensity ay nabawasan sa, halimbawa, 10%, ang pagkalipol E = 1 (10 ^ -1). Na may isang paghina sa 1% lamang, E = 2 (10 ^ -2).

Kung ilalapat ang isang E bilang isang pagpapaandar ng konsentrasyon c, inaasahan naming makakuha ng isang tumataas na tuwid na linya sa pamamagitan ng zero point.

Tulad ng nakikita mo mula sa aking pagkalipol na kurba, hindi ito linear. Sa mas mataas na konsentrasyon, pumapatak ito, partikular sa mga konsentrasyon na mas malaki sa 0.25. Nangangahulugan ito na ang pagkalipol ay mas mababa kaysa sa inaasahan alinsunod sa batas ng Lambert-Beer. Gayunpaman, isinasaalang-alang lamang ang mas mababang mga konsentrasyon, halimbawa sa pagitan ng 0 at 0.25, ay nagreresulta sa isang napakagandang guhit na ugnayan sa pagitan ng konsentrasyon c at ng pagkalipol E. Sa saklaw na ito, ang hindi kilalang konsentrasyon c ay maaaring matukoy mula sa sinusukat na pagkalipol E. Sa aking kaso, ang konsentrasyon ay may lamang mga di-makatwirang mga yunit, dahil hindi ko natukoy ang paunang halaga ng natunaw na potassium permanganate (ito ay mga milligrams lamang, na hindi masusukat sa aking sukat sa kusina sa aking kaso, natunaw sa 4 ML na tubig para sa pagsisimula solusyon).

Hakbang 5: Mga Konklusyon

Ang photometer na ito ay partikular na angkop para sa mga aralin sa pisika at kimika. Ang kabuuang gastos ay halos 60 Euro = 70 USD lamang. Ang iba't ibang mga may kulay na LED ay ang pinakamahal na bahagi. Sa ebay o aliexpress tiyak na makakahanap ka ng mas murang mga LED ngunit karaniwang hindi mo alam kung aling mga haba ng daluyong ang mayroon ang mga LED. Nakita sa ganitong paraan, inirerekumenda ang pagbili mula sa isang dalubhasang tingi.

Sa araling ito natutunan mo ang isang bagay tungkol sa ugnayan sa pagitan ng kulay ng mga likido at kanilang pag-uugali ng pagsipsip, tungkol sa mahalagang Chlorophyll, ang batas ng Lambert-Beer, mga exponential, paghahatid at pagsipsip, pagkalkula ng mga sentimo at mga haba ng daluyong ng mga nakikitang kulay. Sa palagay ko ito ay marami…

Kaya't magsaya ka rin sa paggawa ng proyektong ito sa iyong aralin at Eureka!

Huling ngunit hindi pa huli ay magiging masaya ako kung maaari mo akong iboto sa paligsahan sa silid-aralan-agham. Salamat para doon…

At kung interesado ka sa karagdagang mga eksperimento sa pisika, narito ang aking youtube-channel:

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

mas maraming mga proyekto sa pisika: